Методы оценки высоты облачности с использованием возможностей системы «Арктика-М»

Оценка высоты облачности является ключевой задачей в исследовании и прогнозировании динамики атмосферы. Для решения этой задачи необходимо получать информацию о высоте облачности на больших территориях по всей территории земного шара, что возможно только с использованием данных спутниковых систем ДЗЗ. Одним из методов оценки верхней границы облачности (ВГО) по спутниковым данным является прямой метод оценки, основанный на эффекте параллакса, а именно «метод стереопары». Суть метода состоит в том, что изображения облаков, полученные с использованием данных двух спутниковых систем, будут иметь различные координаты на поверхности Земли, что обусловлено различными углами обзора объектов. Используя геометрию сканирования двух спутников, а также местоположение спутников на орбите и координаты объекта на поверхности Земли восстанавливается высота ВГО. Такой метод получения оценки достаточно прост и эффективен, поскольку не требует привлечения дополнительной информации, например, о вертикальном распределении в атмосфере температуры, водяного пара, давления и т.д. Однако у данного подхода есть и ограничение. Поскольку облачный покров является динамическим объектом, то есть его состояние может значительно меняться в течение нескольких минут, реализация данного метода требует наличия одномоментной съемки с различных космических аппаратов (КА). Запуск высокоэллиптической спутниковой системы «Арктика-М» в 2021 году открыл новые горизонты для наблюдения облачности в северных широтах с высокой частотой получения информации, а именно каждые 15 минут. Космическая система «Арктика-М» потенциально позволяет иметь одномоментные наблюдения как геостационарными, так и высокоэллиптическими спутниками, т.е. появился еще один источник информации для использования прямых методов определениях высот облачности. В данном разделе кратко описаны первые результаты работ по созданию метода автоматизированного регулярного (не реже чем раз в 30 минут) восстановления полей высот верхней границы облачности на основе данных, поступающих со спутников системы «Арктика-М» и геостационарных спутников Himawari 8/9.

   1 Возможности получения оценок высот ВГО на основе одновременных наблюдений

Для анализа высоты облачности использовались данные отечественных спутников «Арктика-М» № 1 и 2, находящихся на высокоэллиптической орбите, а также данные японского геостационарного спутника Himawari-9. Спутники серии «Арктика-М» предназначены для наблюдения за атмосферными явлениями в высоких широтах с частотой съёмки каждые 15 минут, обеспечивая постоянный мониторинг северных регионов. Спутник Himawari-9, расположенный на геостационарной орбите с точкой стояния 140.7° восточной долготы, осуществляет непрерывный мониторинг земной поверхности в восточной Азии и Тихом океане с частотой съёмки каждые 10 мин. Таким образом, с учётом наклонения орбиты КА «Арктика-М», равного 63°, можно утверждать, что возможно получать качественные перекрытия данными в диапазоне широт от 0 до 60° и диапазоне долгот от 80 до –160 с учётом текущего положения КА «Арктика-М». В этой зоне благодаря одновременным наблюдениям спутников «Арктика-М» и Himawari-9 имеется возможность проводить одномоментные съёмки не реже чем раз в 30 минут, что необходимо для определения высоты различных объектов, особенно верхней границы облачного покрова. Важно отметить, что приборы на этих спутниках имеют наборы каналов, работающих в схожих спектральных диапазонах, что упрощает сопоставление получаемой информации.
Классический алгоритм вычисления высот с помощью стереопары состоит из четырёх этапов:

• подбора пар изображений с объектом интереса;
• поиска, сопоставления и фильтрации пар точек на изображении;
• оценки расстояний между точками;
• вычисления высоты объектов.
   

Для оценки высот ВГО облачности данный алгоритм был реализован в виде интерактивной и автоматической технологии.

Интерактивный инструмент позволяет экспертам выбирать пары изображений и устанавливать контрольные точки для формирования стереопары, после чего получить результаты измерений. Инструмент реализован в составе информационной системы мониторинга вулканической активности Камчатки и Северных Курил (ИС VolSatView, http://volcanoes.smislab.ru). Следует отметить, что реализованный интерактивный инструмент позволяет строить стереопары для всех доступных сочетаний данных приборов, в том числе: MODIS (КА Terra, Aqua), VIIRS (КА NPP, NOAA-20, NOAA-21), AVHRR (КА POESS NOAA), МСУ-МР (КА «Метеор-М»), MERSI-II (КА FY-3), AHI (КА Himawari-8/9), МСУ-ГС-ВЭ (КА «Арктика-М»).

Несмотря на то, что интерактивный инструмент удобен для анализа отдельных явлений, для массовой обработки данных на больших территориях он требует значительных временных затрат и поэтому практически неприменим. Для автоматизации таких задач на сегодняшний день разработаны различные технологии, в том числе оптический поток, алгоритмы поиска контрольных точек и другие. В данной работе был использован алгоритм SIFT (scale-invariant feature transform, масштабно-инвариантная трансформация признаков), который производит поиск контрольных точек на каждом из двух совмещаемых снимков. Автоматическая технология, использующая алгоритм SIFT, позволяет достаточно эффективно обрабатывать данные и оценивать высоту ВГО. Она включает в себя подготовку данных, поиск и фильтрацию контрольных точек, а также вычисление высот для отфильтрованных точек. Результаты заносятся в специализированную базу данных и отображаются в интерфейсе информационной системы VolSatView в виде полей с точками высот. Стоит отметить, что несмотря на схожесть спектральных каналов приборов AHI и МСУ-ГС-ВЭ, этап подготовки данных критически важен из-за различий в пространственном разрешении и спектральных характеристиках приборов. Для повышения эффективности алгоритма SIFT изображения приводятся к одному разрешению, а также снижается порог контрастности для увеличения числа выделяемых контрольных точек. Однако это может привести к увеличению числа ложных срабатываний алгоритма сопоставления, что требует применения дополнительных фильтров для их устранения. Применяются следующие фильтры точек:

• расстояние между сопоставленными точками должно быть менее 0,5°;
• пары точек должны совпадать по основному направлению смещения;
• фильтрация по порогу яркости для отделения облаков от поверхности Земли.
   

Таким образом, реализованный алгоритм позволяет эффективно оценивать высоты ВГО облачности на больших территориях. Пример поля высот ВГО приведён на рисунке 1.

Рис. 1 — Пример получаемого автоматическим методом поля точек с высотами в ИС VolSatView

   2 Предварительные оценки точности восстановления высоты ВГО

Предварительные оценки точности восстановления высоты облаков проводились на основе анализа пепловых облаков, выброшенных вулканами Ключевской и Безымянный в ноябре 2023 и июле 2024 года соответственно. Верификация результатов осуществлялась путём сравнения результатов с данными специализированного продукта для оценки высоты ВГО Himawari CLoudTopHeight AHI (CLTH). Стоит отметить, что из-за особенностей формирования изображений приборами AHI и МСУ-ГС-ВЭ для пар наблюдений с совпадающим временем начала сеанса разница во времени наблюдения составляет около пяти минут. Для пар, где «Арктика-М» начинает сеанс на пять минут раньше Himawari-9, расхождение будет в пределах одной минуты, а в обратном случае — около десяти минут. Все измерения методом стереопар сопоставлялись с продуктом CLTH, полученным в то же время и в той же точке. Коридор ошибки для стереопар рассчитывался на основе средней ошибки привязки данных «Арктика-М», достигающей трех пикселов, что приводит к ошибке определения высоты порядка 1500 м. Для продукта CLTH коридор ошибки оценивался оптимистично в 1000 м, хотя фактические значения могут варьироваться в зависимости от облачности. Графики временного хода и сопоставления результатов измерений для извержений Ключевского и Безымянного представлены на рисунках 2 и 3 соответственно.

Таким образом, представленные в разделе результаты анализа возможностей оценки высоты ВГО на основе синхронных наблюдений спутников «Арктика-М» и Himawari-9 подтвердили работоспособность предложенного подхода. Поэтому можно считать, что появилась реальная возможность создания нового инструмента для оперативной оценки высоты ВГО с высокой временной частотой на больших территориях. Необходимо продолжать развитие данного подхода, включая полномасштабную верификацию получаемой информации.

Также следует отметить, что в настоящее время специалистами Дальневосточного центра НИЦ «Планета» и ИКИ РАН была разработана потоковая схема обработки данных спутников, что позволяет автоматически строить поля оценок высоты облачности. Информация интегрирована в систему мониторинга вулканической активности VolSatView и может использоваться для анализа высот пепловых выбросов. Результаты обработки обеспечивают возможность массового сравнения с другими данными для верификации и дальнейшего развития процедуры обработки данных.

 
Рисунок 2 — Сопоставление измерений высоты ВГО для извержения вулкана Ключевской, ноябрь 2023
 

Рисунок 3 — Сопоставление измерений высоты ВГО для извержения вулкана Безымянный, июль 2024