Алгоритм восстановления альбедо летнего арктического льда и доли площади, занимаемой талой водой, по данным спутникового зондирования

Спутниковое дистанционное зондирование является важным, а иногда и единственным инструментом мониторинга состояния морского льда, особенно в труднодоступных полярных регионах. В основе алгоритмов дистанционного зондирования лежит взаимосвязь между измеренными характеристиками излучения и определяемым физическим состоянием поверхности.
Доля поверхности, покрытой талой водой, и спектральное альбедо тающего льда являются ключевыми характеристиками в различных задачах, относящихся к климатическим изменениям, в частности, к пониманию и прогнозу существенных изменений состояния окружающей среды в Арктике.
Существует несколько работ, представляющих методы и алгоритмы для дистанционного зондирования льда, включая восстановление альбедо льда и доли площади, занимаемой талой водой (снежницами). Подход, наиболее часто используемый в этих работах, основан на априорных предположениях о спектрах элементов, составляющих пиксель, таких как снежница, сухой лёд, снег или открытая вода.
Мы представляем новую методику исследования процесса таяния льда и определения доли площади, покрытой талой водой, и альбедо морского льда. Методика основана на недавно разработанной модели оптических свойств тающего льда как светорассеивающей среды.
В основе алгоритма лежит взаимосвязь между физическими характеристиками льда и его отражательной способностью. Лёд рассматривается как поверхность, состоящая из двух компонентов: сухого льда (с высокой отражающей способностью) и льда покрытого талой водой (снежница). Входными данными алгоритма являются коэффициенты яркости, измеренные спутниковым радиометром в видимом и ближнем ИК диапазоне, а также геометрия наблюдения. Доля площади, занятая талой водой, а также характеристики сухого льда и снежницы, находятся с помощью итерационной процедуры, которая включает в себя: расчёт характеристик отражения тающего льда, расчёт переноса излучения в атмосфере, сравнение рассчитанных и измеренных коэффициентов яркости на верхней границе атмосферы, внесение поправки в характеристики льда с помощью метода Ньютона-Рафсона. Алгоритм основан на простой физической модели льда, учитывает угловые зависимости отражённого излучения и включает в себя атмосферную коррекцию спутниковых данных. Проведена верификация алгоритма с использованием результатов самолетных, корабельных и полевых измерений в Арктике.
Данный алгоритм был реализован в виде программного пакета MPD (Melt Pond Detector), который может быть установлен и запущен под управлением операционных систем LINUX и WINDOWS. На выходе пакет MPD осуществляет картирование доли талой воды и спектрального альбедо пикселя. Полученные карты позволят осуществить мониторинг долговременных глобальных изменений состояния арктических льдов.
На текущий момент данный пакет включен в цепь обработки данных радиометра MERIS в Бременском Университете. В настоящее время ведётся обработка исторических данных за последнее десятилетие.
Данное исследование является частью европейского проекта SIDARUS (7-я Рамочная Программа ЕС).