Система совместного анализа временных рядов наблюдений вулканической активности по данным низкоорбитальных и геостационарных спутников

В рамках информационной системы VolSatView была разработана технология накопления временных рядов данных дистанционного измерения радиояркостной температуры на основе спутниковых наблюдений в зонах вулканической активности, а также пользовательский интерфейс интерактивного анализа рядов наблюдений.

В рамках ЦКП «ИКИ-Мониторинг» производится регулярная обработка данных низкоорбитальных спутников, позволяющая выявлять участки температурных аномалий по оперативным данным, а также формировать историческую базу данных аномалий. Для решения настоящей задачи был проведен ретроспективный анализ базы данных температурных аномалий по данным прибора VIIRS. Результатом такого рода обработки стало растровое изображение, пикселы которого характеризуют число эпизодов возникновения температурных аномалий. С помощью адаптивного подбора пороговых значений в регионе Камчатки и Северных Курил были определены участки наиболее интенсивной вулканической активности. Отбор участков такого рода, соответствующим расположению вулканов региона, позволил запустить формирование долгосрочных временных рядов наблюдений радиояркостной температуры для изучения активности действующих вулканов.

Помимо данных приборов ДЗЗ, расположенных на низкоорбитальных спутниках, (VIIRS, MODIS) была поставлена задача формирования временных рядов, полученных прибором AHI с геостационарных спутников Himawari-8 и -9 в связи с тем, что частота его наблюдений составляет 10 минут. Однако различие углов съемки с низкоорбитальных и геостационарных спутников проявляется в несоответствии видимого расположения участков термальных аномалий на изображениях в силу характерного рельефа вулканов. Для решения этой проблемы предложена коррекция координат участков наблюдения для достижения сопоставимости данных низкоорбитальных и геостационарных спутников.

В основе алгоритма коррекции координат лежит использование формул геометрической оценки видимых координат объекта при заданном положении спутника согласно спецификации Low Rate Image Transmission (LRIT)/High Rate Image Transmission (HRIT) Global Specification (CGMS, 2013).

Таблица 1. — Коррекция координат вулканов

Название	Высота объекта, км	Сдвиг, км	Высота спутника над горизонтом, град	Азимут, град	Сдвиг на восток, км (град)	Сдвиг на север, км (град)
Шивелуч	2,8	6,58	23,0	204,2	2,7 (0,044)	6,0 (0,054)
Ключевской	2,8	6,36	23,7	203,5	2,54 (0,040)	5,83 (0,022)
Ключевской	4,7	10,67	23,7	203,5	4,25 (0,068)	9,81 (0,088)
Безымянный	2,8	6,36	23,8	203,5	2,54 (0,040)	5,83 (0,022)
Карымский	1,5	3,0	26,0	202,6	1,15 (0,016)	2,31 (0,010)
Алаид	2,3	3,98	30,1	198,8	1,28 (0,018)	3,38 (0,012)
Эбеко	1,2	2,06	30,2	199,4	0,79 (0,011)	1,94 (0,017)

 

Временные ряды данных формировались по наблюдениям с низкоорбитальных спутников и с геостационарных спутников как на участках, выбранных с коррекцией координат, так и на участках без коррекции координат. Примеры анализа временных рядов показывают лучшую корреляцию данных, полученных на скорректированных участках, по сравнению с нескорректированными.

 
Рисунок 1. — Рельеф полуострова Камчатка по данным SRTM. Контуры участков наблюдения по данным геостационарных спутников без коррекции координат (красные) и с коррекцией (зеленые)

 
Рисунок 2. — Динамика радиояркостной температуры при извержении вулкана Ключевской в октябре-ноябре 2023 г. по данным MODIS и AHI

Система обработки данных на участках наблюдения формирует выборку пикселов в окрестностях вулканов. Статистический анализ выборки позволяет фильтровать данные и анализировать производные величины, такие как максимум, минимум, среднее по окрестности или стандартное отклонение. В пользовательском интерфейсе реализованы возможности работы со всеми доступными для анализа величинами.

 
Рисунок 3. — Динамика радиояркосной температуры по данным AHI на вулкане Ключевской с отображением среднего, стандартного отклонения и минимума/максимума в пределах участка наблюдения