Коллокация (дистанционное зондирование)

Коллокация – это процедура, используемая в дистанционном зондировании. для сопоставления измерений двух или более разных приборов. Это делается по двум основным причинам: в целях проверки при сравнении измерений одной и той же переменной, и связать измерения двух разных переменных либо для выполнения поиска, либо для прогнозирования. Во втором случае данные позже передаются в некоторый тип статистической системы. обратный метод такие как искусственная нейронная сеть , статистической классификации алгоритм , ядерная оценка или линейный метод наименьших квадратов . В принципе, большинство проблем коллокации можно решить с помощью поиска ближайшего соседа . но на практике есть много других соображений, и лучший метод — это весьма специфичны для конкретного соответствия инструментов. Здесь мы рассмотрим некоторые из наиболее важных соображений вместе с конкретными примерами.

При выполнении словосочетаний необходимо учитывать как минимум два основных фактора. Во-первых, это образец выборки инструмента. Измерения могут быть плотными и регулярными, например, при перекрестном пути. сканирующий спутниковый прибор. В этом случае используется некоторая форма интерполяции может быть уместно. С другой стороны, измерения могут быть редкие, например, разовая полевая кампания, предназначенная для некоторых конкретное упражнение по проверке. Вторым соображением является занимаемая площадь прибора, которая может варьироваться от чего-то, приближающегося к точечному измерению например радиозонда , или их может быть несколько километров в диаметре, например, у установленного на спутнике, микроволновый радиометр. В последнем случае уместно учитывать диаграмму направленности антенны прибора при проведение сравнений с другим инструментом, имеющим меньший размер след и более плотная выборка, то есть несколько измерений от одного инструмента впишется в зону действия другого.

Так же, как инструмент имеет пространственный след, он также будет иметь временной след, часто называемый временем интегрирования. Хотя время интегрирования обычно составляет менее секунды, что для метеорологических приложений является по существу мгновенным, есть много случаев, когда та или иная форма усреднения по времени может значительно облегчить процесс коллокации.

Коллокации должны быть проверены как по времени, так и по времени. и масштабы интересующего явления. Это еще больше облегчит процесс коллокации, поскольку данные дистанционного зондирования и другие измерения почти всегда забинтовано каким-то образом. Некоторые атмосферные явления, такие как облака или конвекция, весьма преходящи. так что нам не нужно рассматривать словосочетания с погрешностью времени более часа или около того. Морской лед, напротив, движется и развивается довольно медленно, так что измерения, разделенные на день или более, все еще могут быть полезны.

Спутники

Больше всего нас беспокоят спутники , , находящиеся на низкой околоземной полярной орбите поскольку геостационарные спутники видят одну и ту же точку на протяжении всего своего существования. На схеме показаны измерения от АМСУ-Б. приборы, установленные на трех спутниках, в течение 12 часов. Это иллюстрирует как траекторию орбиты, так и схему сканирования, идущую крест-накрест. Поскольку орбита спутника детерминирована , если исключить орбитальные маневры , мы можем предсказать местоположение спутник в данный момент времени и, как следствие, местоположение пиксели измерения. Теоретически словосочетания можно выполнять путем инвертирования определение уравнений, начиная с желаемого периода времени. На практике частично обработанные данные (обычно называемые уровень 1b, 1c или уровень 2) содержат координаты каждого из пиксели измерения и обычно эти координаты просто передаются в функцию поиска ближайшего соседа. Как упоминалось ранее, спутниковые данные всегда группируются. каким-то образом. Как минимум, данные будут упорядочены в полосы, простирающиеся от полюса к полюсу. Полосы будут помечены периодом времени и приблизительное местонахождение известно.

Радиозонды

Радиозонды особенно важны для коллокационных исследований. потому что они измеряют атмосферные переменные более точно и более непосредственно, чем спутник или другие инструменты дистанционного зондирования. Кроме того, образцы радиозонда фактически представляют собой мгновенные точечные измерения. Одной из проблем, связанных с радиозондами, поднимаемыми на метеозондах, является дрейф воздушного шара. В, ^{[ 1 ]} это достигается путем усреднения всех спутниковых пикселей в радиусе 50 км. о запуске воздушного шара.

Если данные зонда высокого разрешения, которые обычно имеют постоянную используется частота дискретизации или включает время измерения, тогда боковое движение можно проследить по данным о ветре. Даже при наличии данных низкого разрешения движение все равно может аппроксимировать, предполагая постоянную скорость всплытия. За исключением короткого момента в конце, линейный подъем хорошо виден на рисунке выше. Мы можем показать, что скорость подъема воздушного шара задана следующим уравнением

^{[ 2 ]}

v={\sqrt {\frac {gkh(1-R_{a}/R_{s})}{c_{D}}}}

где g – гравитационное ускорение, k связывает высоту h и площадь поверхности A , баллона к его объему: V = khA ; R _s — эквивалентная «газовая постоянная» баллона, Ra _– газовая постоянная воздуха c D _— коэффициент сопротивления аэростата. Подставив некоторые разумные значения для каждой из констант, к =1. (шар — идеальный цилиндр), h =2. м, с _Д = 1. R – _a газовая постоянная гелия, возвращает скорость всплытия 4,1 м/с. Сравните это с значения, показанные на гистограмме, которая объединяет все запуск радиозонда с Polarstern исследовательского судна в течение одиннадцати лет с 1992 по 2003 год.

Интерполяция

Для данных с координатной сеткой, таких как ассимиляции или реанализа данные , интерполяция, вероятно, является наиболее подходящим методом для выполнения любого типа сравнения. Конкретную точку как в физическом положении, так и во времени легко найти. внутри сетки и интерполяция выполняется между ближайшими соседями. Линейная интерполяция ( билинейная , трилинейная и т. д.) является наиболее распространенной. хотя кубический формат также используется, но, вероятно, не стоит дополнительных вычислительных затрат. Если интересующая переменная имеет относительно плавную скорость изменения (хорошим примером этого является температура, поскольку она имеет диффузионный механизм, радиационный перенос , недоступный другим атмосферным переменным), тогда интерполяция может устранить большую часть ошибок, связанных с коллокацией.

Интерполяция также может быть применима для многих типов спутниковых приборов. например, прибор поперечного сканирования, такой как Landsat . В ^{[ 3 ]} данные, полученные с помощью усовершенствованного микроволнового зондирующего устройства (AMSU), интерполируется (хотя и не для целей коллокации) с небольшим изменением трилинейной интерполяции. Поскольку измерения в пределах одной дорожки сканирования расположены примерно в прямоугольной сетке, можно выполнить билинейную интерполяцию. Путем поиска ближайшего перекрывающегося трека сканирования как вперед, так и назад во времени, пространственные интерполяции затем могут быть интерполированы во времени. Этот метод лучше работает с производными величинами, а не с необработанными яркостными температурами, поскольку угол сканирования уже будет учтен.

Для инструментов с более нерегулярной формой выборки, таких как Advanced Microwave Прибор Сканирующий Радиометр-ЭОС (АМСР-Э), имеющий круговую диаграмму сканирования, нам нужна более общая форма интерполяции, такая как оценка ядра . Метод, обычно используемый для этого конкретного прибора, а также для SSM/I . представляет собой простое среднесуточное значение в пространственных интервалах с регулярной сеткой . ^{[ 4 ]}

Траектории

Чтобы совместить измерения средне- и долгоживущего атмосферного индикатора со вторым прибором, траектории движения могут значительно повысить точность. Это также несколько упрощает анализ: траектория просчитывается как вперед, так и назад от места измерения и между нужным временным окном. Обратите внимание, что приемлемое временное окно теперь стало длиннее, поскольку устранена ошибка, вызванная транспортировкой изменений в трассировщике: подходящим окном для использования было бы время жизни трассировщика. Поскольку траектории определяют местоположение каждого момента времени во временном окне, нет необходимости проверять несколько измерений вторым инструментом. Каждый раз внутри траектории проверяется критерий расстояния, но в очень узком окне. Альтернативно, точное время измерений для второго прибора интерполируется внутри траектории. Используется только наименьшая ошибка расстояния ниже порога, и, как следствие, критерий расстояния может быть уменьшен.

Пример: кампания Pol-Ice

Коллокации толщины морского льда и яркостных температур, полученные во время Pol-Ice Campaign являются отличным примером, поскольку они иллюстрируют многие наиболее важные принципы, а также демонстрируют необходимость учета каждого конкретного случая. Кампания Pol-Ice проводилась в Северной Балтике в марте 2007 года в рамках проекта SMOS-Ice в рамках подготовки к запуску спутника «Влажность почвы и соленость океана» . Из-за низкой частоты прибора SMOS есть надежда, что он будет отображать информацию о толщине морского льда, поэтому кампания включала измерения толщины морского льда и яркостной температуры излучения. Яркостные температуры измерялись микроволновым радиометром EMIRAD L-диапазона. ^{[ 5 ]} пронесенный на борт самолета. Толщину льда измеряли толщиномером льда EM Bird, который перевозился на вертолете. EM Bird измеряет толщину льда с помощью комбинации измерений индуктивности для определения местоположения границы раздела лед-вода и лазерного высотомера для измерения высоты поверхности льда. ^{[ 6 ]} На карте выше показаны траектории полета обоих инструментов, которые примерно совпадали, но явно были подвержены ошибке пилота.

Поскольку траектории полета обоих самолетов были примерно линейными, первым шагом в процессе сопоставления было преобразование всех совпадающих полетов в декартовы координаты, где ось x представляет собой поперечное расстояние, а поперечное расстояние по оси y . Таким образом, коллокации можно выполнять двумя способами: грубо, сопоставляя только расстояния x , и более точно, сопоставляя обе координаты.

Что еще более важно, размер радиометра во много раз больше. чем у счетчика EM Bird. На рисунке слева показано радиометра функция отклика антенны . Полная ширина на половине высоты составляет 31 градус. ^{[ 5 ]} Поскольку самолет летел примерно на высоте 500 м, это переводится до размера площади 200 м и более. При этом размер следа EM Bird составлял примерно 40 м. с расстоянием между образцами всего от 2 до 4 м. ^{[ 6 ]} Вместо того, чтобы обращаться к ближайшим соседям, что привело бы к плохие результаты, средневзвешенное значение измерений толщины было выполняется для каждого измерения радиометра. Веса рассчитывались на основе функции отклика радиометра, которая почти равна идеальный гауссиан примерно до 45 градусов. Очки могут быть исключены в зависимости от расстояния по маршруту. путь. Для проверки расчетов прямой модели излучательной способности морского льда это было дополнительно уточнено путем расчета коэффициента излучения. для каждого измерения толщины и усреднения по радиометру след. ^{[ 7 ]}

На рисунке ниже показаны относительные места измерения. от каждого инструмента, использованного в кампании Pol-Ice. Показаны две эстакады: одна с самолета, перевозящего Радиометр EMIRAD и один с вертолета, перевозившего Инструмент ЭМ Берд. Ось X проходит вдоль линии траектории полета. Следы EMIRAD нарисованы линиями, EM Bird измерения индуктивности представлены кружками и измерения LIDAR с точками.

Ссылки

^ С.А. Бюлер; М. Куватов; ВО Джон; У. Лейтерер; Х. Дайер (2004). «Сравнение данных о влажности микроволновых спутников и профилей радиозондов: практический пример» . Журнал геофизических исследований . 109 (Д13103): Д13103. Бибкод : 2004JGRD..10913103B . дои : 10.1029/2004JD004605 .
^ Питер Миллс (2004). По следу пара: исследование хаотического смешивания водяного пара в верхней тропосфере (PDF) (Диссертация). Университет Бремена. Архивировано из оригинала (PDF) 21 июля 2011 г. Проверено 16 декабря 2010 г.
^ Питер Миллс (2009). «Поиск изолиний: оптимальный метод проверки адвектированных контуров» (PDF) . Компьютеры и геонауки . 35 (11): 2020–2031. arXiv : 1202.5659 . Бибкод : 2009CG.....35.2020M . дои : 10.1016/j.cageo.2008.12.015 . S2CID 1637949 .
^ Г. Спрен; Л. Калешке; Г. Хейгстер (2008). «Дистанционное зондирование морского льда по каналам AMSR-E 89 ГГц» . Журнал геофизических исследований . 113 (C02S03): C02S03. Бибкод : 2008JGRC..113.2S03S . дои : 10.1029/2005JC003384 .
^ Jump up to: ^а ^б Н. Скоу; СС Собьяерг; Дж. Баллинг (2007). EMIRAD-2 и его использование в кампаниях CoSMOS (Технический отчет). Секция электромагнитных систем Датского национального космического центра, Технический университет Дании. Контракт ESTEC № 18924/05/NL/FF.
^ Jump up to: ^а ^б Г. Хейгстер; С. Хендрикс; Л. Калешке; Н. Маасс; П. Миллс; Д. Стаммер; РТ Тонбоэ; К. Хаас (2009). Радиометрия L-диапазона для исследований морского льда (технический отчет). Институт физики окружающей среды Бременского университета. Контракт ESA/ESTEC № 21130/08/NL/EL.
^ Питер Миллс; Георг Хейгстер (2010). «Моделирование излучательной способности морского льда в L-диапазоне и применение к полевым данным кампании Pol-Ice» (PDF) . Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию . 49 (2): 612–627. Бибкод : 2011ITGRS..49..612M . дои : 10.1109/TGRS.2010.2060729 . S2CID 20981849 .

[Buehler_etal2004-1] С.А. Бюлер; М. Куватов; ВО Джон; У. Лейтерер; Х. Дайер (2004). «Сравнение данных о влажности микроволновых спутников и профилей радиозондов: практический пример» . Журнал геофизических исследований . 109 (Д13103): Д13103. Бибкод : 2004JGRD..10913103B . дои : 10.1029/2004JD004605 .

[Mills2004-2] Питер Миллс (2004). По следу пара: исследование хаотического смешивания водяного пара в верхней тропосфере (PDF) (Диссертация). Университет Бремена. Архивировано из оригинала (PDF) 21 июля 2011 г. Проверено 16 декабря 2010 г.

[Mills2009-3] Питер Миллс (2009). «Поиск изолиний: оптимальный метод проверки адвектированных контуров» (PDF) . Компьютеры и геонауки . 35 (11): 2020–2031. arXiv : 1202.5659 . Бибкод : 2009CG.....35.2020M . дои : 10.1016/j.cageo.2008.12.015 . S2CID 1637949 .

[Spreen_etal2008-4] Г. Спрен; Л. Калешке; Г. Хейгстер (2008). «Дистанционное зондирование морского льда по каналам AMSR-E 89 ГГц» . Журнал геофизических исследований . 113 (C02S03): C02S03. Бибкод : 2008JGRC..113.2S03S . дои : 10.1029/2005JC003384 .

[Skou_etal2007-5] Jump up to: ^а ^б Н. Скоу; СС Собьяерг; Дж. Баллинг (2007). EMIRAD-2 и его использование в кампаниях CoSMOS (Технический отчет). Секция электромагнитных систем Датского национального космического центра, Технический университет Дании. Контракт ESTEC № 18924/05/NL/FF.

[Heygster_etal2009-6] Jump up to: ^а ^б Г. Хейгстер; С. Хендрикс; Л. Калешке; Н. Маасс; П. Миллс; Д. Стаммер; РТ Тонбоэ; К. Хаас (2009). Радиометрия L-диапазона для исследований морского льда (технический отчет). Институт физики окружающей среды Бременского университета. Контракт ESA/ESTEC № 21130/08/NL/EL.

[Mills_Heygster2010-7] Питер Миллс; Георг Хейгстер (2010). «Моделирование излучательной способности морского льда в L-диапазоне и применение к полевым данным кампании Pol-Ice» (PDF) . Транзакции IEEE по геонаукам и дистанционному зондированию . 49 (2): 612–627. Бибкод : 2011ITGRS..49..612M . дои : 10.1109/TGRS.2010.2060729 . S2CID 20981849 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]