Дистанционное зондирование загрязнений поверхности после извержения вулкана

В этом докладе речь пойдет о «сценариях» оценивания влияния извержения вулкана на аэрозольное загрязнение земной поверхности и, как следствие, на возмущение спектрального состава излучения отраженного излучения и радиационного баланса Земли с целью определения радиационного форсинга вследствие изменений отражающих свойств земной поверхности на климатическую систему.
Нас интересует задача аэрокосмического дистанционного зондирования земной поверхности при гиперспектральных наблюдениях не только в надир, но и по наклонным трассам. Это такой тип задачи, когда необходимо как можно точнее провести атмосферную коррекцию с учетом её гетерогенности и получить «сценарий» распределения яркости подстилающей поверхности. Проблема «распознавания» «сценария» представляет собой особое и важное направление в нанодиагностике и в настоящем докладе не обсуждается.
Атмосферный канал рассматриваем как элемент «оптической» системы переноса излучения и оптический передаточный оператор формулируется с использованием математического аппарата линейно-системного подхода и интеграла «суперпозиции». Рассматривается задача переноса излучения в системе «многослойная атмосфера–подстилающая поверхность» (САП) в приближении плоского слоя, в которой атмосфера принимается гетерогенной, т.е. вертикально-неоднородной и, возможно, с разными радиационными режимами в подслоях, но горизонтально-однородной, а подстилающая поверхность может быть любого типа: горизонтально-однородной или горизонтально-неоднородной с ламбертовым или анизотропным отражением.
Формулируется общий подход для задач с 1D-, 2D-, 3D-размерности по пространству, которая зависит от пространственных характеристик отражающей подстилающей поверхности: если подстилающая поверхность горизонтально-однородная, то и перенос излучения в такой САП одномерный; если подстилающая поверхность горизонтально-неоднородная по обеим координатам (например, мозаичная, как в условиях после извержения вулкана), то приходится иметь дело с проблемами трехмерного переноса излучения в САП; двумерная задача получается при наличии осевой симметрии или неоднородности по одной координате.
Научная идея основана на использовании существенных различий в спектральном ходе поглощения, рассеяния, излучения и пропускания основных компонент системы атмосфера-Земля и спектральных характеристик отражения объектами на земной поверхности для выделения интервалов длин волн спектра многократно рассеянного солнечного и собственного излучения, информативных в отношении конкретных компонент, и на этой основе дискриминировать компоненты по их спектральным характеристикам.
При дистанционном зондировании и мониторинге технических объектов и окружающей среды носителем информации об их состоянии является электромагнитное излучение, регистрируемое различными средствами. Представляют актуальность перспективные гиперспектральные системы нанодиагностики природной среды на основе данных аэрокосмического дистанционного зондирования земной поверхности. Для решения таких проблем требуется информационно-математическое обеспечение, включающее прямые и обратные задачи теории переноса излучения.
Как показал анализ состояния проблемы учета и дистанционного зондирования земной поверхности, все многообразие существующих известных подходов сводится к четырем основным. Первым появился неявный способ учета отражающей поверхности, когда вклад подстилающей поверхности и атмосферы не разделяются. Второй способ – это когда начиная с 50-ых годов 20-го века появились работы по выделению вклада горизонтально-однородной ламбертовой поверхности для однородного плоского слоя на основе альбедного подхода. Этот явный способ, когда в аналитическом виде выделяется зависимость от альбедо поверхности, самый распространенный при решении задач дистанционного зондирования поверхности. Альбедный подход у нас впервые стал разрабатывать В.В. Соболев, имя которого носит известная формула. Третий подход — это метод функционалов и сопряженных уравнений, математический аппарат которых разрабатывали Г.И. Марчук и Г.А. Михайлов преимущественно для применения Метода Монте-Карло. Четвертый — это явный способ учета вклада подстилающей поверхности с помощью оптического передаточного оператора, построенного методом функций влияния и пространственно-частотных характеристик Т.А. Сушкевич. Частный случай был разработан В.Г. Золотухиным и Д.А. Усиковым.
Работа выполняется при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 09-01-00071, 08-01-00024).