Особенности гиперспектрального подхода для аэрокосмического дистанционного зондирования в условиях Арктики

Гиперспектральные космические средства создают уникальные условия для диагностики и мониторинга земных объектов и явлений в глобальном масштабе, а тем более в условиях Арктики. При дистанционном зондировании Земли из космоса фактически решаются обратные задачи, когда физические, химические, биологические, геометрические характеристики объектов наблюдения определяются с использованием функциональной зависимости между ними и измеряемыми параметрами. Для установления таких зависимостей необходимы полигонные испытания и решения прямых задач математического моделирования, в которых устанавливается чувствительность радиационных полей к параметрам и свойствам среды и объектов, а также при контролируемых исходных данных оптико-геофизических моделей возможно разделение атмосферного фона и вклада подстилающей поверхности.

Это долгосрочная стратегия в области международной космической деятельности и «computer science». Основная фундаментальная проблема связана с развитием нового направления в науке, разработкой методов и средств для экспертизы, прогнозирования и критериев оценки опасности процессов, обусловленных глобальными изменениями климата, биосферы, экологии и последствиями катастрофических явлений, замена натурных испытаний вычислительным экспериментом и имитационным моделированием. В перспективе экологическая и технологическая безопасность не только в масштабах России, но и всей планеты переходит в разряд стратегических и важнейших социально-экономических факторов, а математические модели становятся эффективным инструментом исследований и решения научных и практических задач.

В перспективе целесообразно разработать тематическую информационно-математическую систему с библиотекой компьютерных кодов и компьютинга для моделирования электромагнитных задач и распространения света на основе разных физико-математических моделей в разных приближениях в разных средах для разных приложений. В настоящей работе ограничиваемся проблемами моделирования неравновесных радиационных процессов в природных средах Земли, находящихся в динамическом состоянии, в рамках классической кинетической теории Больцмана на основе интегро-дифференциального уравнения [1, 2], которое может быть получено из классической системы уравнений Максвелла путем статистического усреднения с учетом только парных столкновений или взаимодействий. Цель исследования - обеспечение теоретико-расчетных исследований радиационных процессов в условиях Арктики на основе аналитических и численных методов решения сложнейших задач теории переноса излучения в природных средах с учетом структуры оптико-геофизических параметров гетерогенной среды, процессов взаимодействия электромагнитного излучения с веществом и условий инсоляции в дневных и ночных условиях в разные времена года. Речь идет об аналитических (быстрых методов типа диффузии, квазидиффузии, двухпотоковое приближение, метод Соболева, метод средних потоков и т.п.) и численных методах решения скалярных и векторных краевых задач для кинетических уравнений в приближении Больцмана с бинарными взаимодействиями фотонов с веществом среды (сеточные конечно-разностные методы, метод сферических гармоник, метод сложения и удвоения слоев, метод характеристик с итерациями по кратности рассеяния и их модификации с ускоряющими процедурами, метод функций влияния и пространственно-частотных характеристик, передаточные операторы для линейных и нелинейных систем, матричные и тензорные методы, методы декомпозиции и факторизации, гибридные методы), а также алгоритмов метода Монте-Карло и статистического моделирования на основе скалярных и векторных интегральных уравнений.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научных проектов № 14-01-00197_а, № 15-01-00783_а

1. Сушкевич Т.А. Математические модели переноса излучения. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. 661 с.
2. Т.А. Сушкевич, С.А. Стрелков, С.В. Максакова, В.В. Козодеров, Б.А. Фомин, А.Н. Андрианов, А.Н. Волкович, П.П. Григорьева, Е.В. Дмитриев, Л.Д. Краснокутская, В.А. Фалалеева, А.С. Кузьмичев, А.А. Николенко, П.В. Страхов, Б.М. Шурыгин. Информационно-математическое обеспечение аэрокосмических систем дистанционного зондирования и глобального мониторинга Земли для прогноза последствий деятельности нефтегазовой отрасли // Труды XVI Международной суперкомпьютерной конференции «Научный сервис в сети Интернет: многообразие суперкомпьютерных миров», г. Новороссийск, 22-27 сентября 2014 года. Российская академия наук, Суперкомпьютерный консорциум университетов России. – М.: Изд-во МГУ им. М.В.Ломоносова, 2014. ISBN 978-5-211-06394-5