Коллокация (дистанционное зондирование) - Collocation (remote sensing)

Словосочетание это процедура, используемая в дистанционное зондирование для согласования измерений двух или более разных инструментов. Это делается по двум основным причинам: для целей проверки при сравнении измерений одной и той же переменной и для соотнесения измерений двух разных переменных либо для выполнения поиска, либо для прогнозирования. данные позже вводятся в некоторый тип статистических обратный метод например, искусственная нейронная сеть, статистическая классификация алгоритм, оценщик ядра или линейный метод наименьших квадратов. В принципе, большинство проблем с коллокацией можно решить с помощью поиск ближайшего соседа, но на практике есть много других соображений, и лучший метод очень специфичен для конкретного согласования инструментов. Здесь мы рассматриваем некоторые из наиболее важных соображений вместе с конкретными примерами.

При совмещении необходимо учитывать по крайней мере два основных момента. Первый - это образец выборки прибора. Измерения могут быть плотными и регулярными, например, с помощью спутникового прибора с перекрестным сканированием. В этом случае некоторая форма интерполяция может быть уместным. С другой стороны, измерения могут быть разрозненными, например, разовая полевая кампания, предназначенная для некоторого конкретного упражнения по валидации. Второе соображение - это площадь основания прибора, которая может варьироваться от чего-то, приближающегося к точечным измерениям, например, радиозонд или это может быть несколько километров в диаметре, как у установленного на спутнике микроволнового радиометра. В последнем случае целесообразно учитывать прибор диаграмма направленности антенны при сравнении с другим инструментом, имеющим и меньший отпечаток стопы, и более плотную выборку, то есть несколько измерений одного инструмента будут соответствовать отпечатку другого.

Так же, как инструмент имеет пространственный след, он также будет иметь временный след, часто называемый временем интегрирования. Хотя время интегрирования обычно меньше секунды, что для метеорологических приложений практически мгновенно, есть много случаев, когда некоторая форма времени усреднение может значительно упростить процесс коллокации.

Сопоставления необходимо будет отсеивать на основе шкалы времени и длины интересующего явления. Это дополнительно упростит процесс сопоставления, поскольку данные дистанционного зондирования и другие измерения почти всегда мусорный бак Некоторые атмосферные явления, такие как облака или конвекция, являются весьма преходящими, поэтому нам не нужно рассматривать коллокации с ошибкой во времени более часа или около того. Морской лед, с другой стороны, движется и развивается довольно медленно, так что измерения разделяются на день или больше может оказаться полезным.

Спутники

Полярно-стереографическая проекция, показывающая 12 часов измерений тремя приборами AMSU-B

В спутники нас больше всего беспокоят те, у кого низкоземельный, полярная орбита поскольку геостационарный спутники видят одну и ту же точку на протяжении всего срока службы. АМСУ-Б инструменты, установленные на трех спутниках в течение 12 часов. Это показывает как траекторию орбиты, так и схему сканирования, которая проходит поперек. орбита спутника детерминированный, за исключением орбитальные маневры, мы можем предсказать местоположение спутника в данный момент времени и, соответственно, положение пикселей измерения. Теоретически сопоставление может быть выполнено путем инвертирования определяющих уравнений, начиная с желаемого периода времени. На практике частично обработанные данные (обычно называемые до уровня 1b, 1c или уровня 2) содержат координаты каждого из пикселей измерения, и обычно эти координаты просто передаются в поиск ближайшего соседа. Как упоминалось ранее, спутниковые данные всегда мусорный бак каким-то образом. Как минимум, данные будут располагаться в полосах, простирающихся от вехи к вехе, с указанием периода времени и известного примерного местоположения.

Радиозонды

Подъем метеозонда, запущенного с исследовательского судна Polarstern

Радиозонды особенно важны для исследований коллокаций, потому что они измеряют атмосферные переменные более точно и более непосредственно, чем спутниковые или другие инструменты дистанционного зондирования. Кроме того, образцы радиозондов представляют собой фактически мгновенные точечные измерения. Одна проблема с радиозондами, переносимыми наверх метеорологические шары дрейф воздушного шара. В,^[1]это осуществляется путем усреднения всех спутниковых пикселей в радиусе 50 км от запуска шара.

Гистограмма скорости всплытия метеозондных аэростатов с исследовательского судна Polarstern

Если используются данные зонда с высоким разрешением, которые обычно имеют постоянную частоту дискретизации или включают время измерения, то поперечное движение можно отследить по данным о ветре. Даже с данными с низким разрешением, движение все равно можно аппроксимировать, приняв постоянное значение. Скорость всплытия. За исключением небольшого отрезка ближе к концу, линейный подъем можно четко увидеть на рисунке выше. Мы можем показать, что скорость подъема воздушного шара определяется следующим уравнением

^[2]

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

куда грамм гравитационное ускорение,k связывает высоту, час, и площадь поверхности, А, баллона до его объема: V = кха; р_s эквивалентная «газовая постоянная» воздушного шара, р_а - газовая постоянная воздуха и c_D - коэффициент сопротивления воздушного шара. Подставляя некоторые разумные значения для каждой из постоянных,k= 1. (воздушный шар - идеальный цилиндр), час= 2. м, c_D = 1. и р_а - газовая постоянная гелия, возвращает скорость всплытия 4,1 м / с. Сравните это со значениями, показанными на гистограмме, которая объединяет все запуски радиозонда с Polarstern Исследования проводились в течение одиннадцати лет с 1992 по 2003 год.

Интерполяция

Для данных с координатной привязкой, таких как ассимиляция или же повторный анализ данные,интерполяция Вероятно, это наиболее подходящий метод для выполнения любого типа сравнения. Определенную точку как по физическому положению, так и по времени легко найти в сетке и выполнить интерполяцию между ближайшими соседями.Линейная интерполяция (билинейный, трехлинейный и т. д.) является наиболее распространенным, хотя кубический также используется, но, вероятно, не стоит дополнительных вычислительных затрат. Если интересующая переменная имеет относительно плавную скорость изменения (температура является хорошим примером этого, потому что у нее есть механизм диффузии, перенос излучения, недоступно для других атмосферных переменных), то интерполяция может устранить большую часть ошибок, связанных с совмещением.

Интерполяция также может быть подходящей для многих типов спутниковых инструментов, например, для кросс-трекового сканирующего инструмента, такого как Landsat.В ^[3] данные, полученные из Усовершенствованный прибор для микроволнового зондирования (AMSU) интерполируются (хотя и не для целей коллокации) с использованием небольшого изменения трилинейной интерполяции. Поскольку измерения в пределах одной дорожки сканирования расположены примерно в прямоугольной сетке, может выполняться билинейная интерполяция. При поиске ближайшей перекрывающейся дорожки сканирования обе вперед и назад во времени, пространственные интерполяции могут быть затем интерполированы во времени. Этот метод лучше работает с производными величинами, чем с исходными яркостными температурами, поскольку угол сканирования уже учтен.

Для инструментов с более нерегулярной схемой отбора проб, таких как Расширенный микроволновый сканирующий радиометр-EOS (AMSR-E) инструмент с круговой диаграммой направленности сканирования, нам нужна более общая форма интерполяции, такая как оценка ядра.Метод, обычно используемый для этого конкретного инструмента, а также SSM / I, представляет собой простое среднесуточное значение в пространственных интервалах с регулярной сеткой.^[4]

Траектории

Чтобы совместить измерения средне- и долгоживущих атмосферный индикатор со вторым инструментом, работающим траектории может значительно повысить точность. Это также несколько упрощает анализ: траектория проходит как вперед, так и назад от места измерения и между желаемым временным окном. Обратите внимание, что приемлемое временное окно теперь стало длиннее, потому что ошибка из-за изменений, вызванных транспортом, в трассировщике устранена: время жизни трассировщика было бы хорошим окном для использования. Поскольку траектории обеспечивают местоположение для каждого момента времени в пределах временного окна, нет необходимости проверять несколько измерений со второго прибора. Каждый раз в пределах траектории проверяется по критерию расстояния, но в очень узком окне. В качестве альтернативы точное время измерений для второго прибора интерполируется в пределах траектории. Используется только наименьшая ошибка расстояния ниже порога, и, как следствие, критерий расстояния может быть уменьшен.

Пример: кампания Pol-Ice

Карта полетов E-M Bird из кампании Pol-Ice вместе с совпадающими рейсами EMIRAD

Сочетания толщины морского льда и яркостные температуры принято во времяКампания Pol-Ice являются отличным примером, поскольку они иллюстрируют многие из наиболее важных принципов, а также демонстрируют необходимость учета каждого отдельного случая. Кампания Pol-Ice проводилась в Северной Балтике в марте 2007 г. в рамках проекта SMOS-Ice в рамках подготовки к запуску Спутник по влажности почвы и солености океана. Из-за низкой частоты прибора SMOS есть надежда, что он будет отображать информацию о толщине морского льда, поэтому кампания включала измерения как толщины морского льда, так и излучаемой яркостной температуры. Температуры яркости измерялись с помощью микроволнового радиометра EMIRAD L-диапазона.^[5]нес на борту самолета. Толщина льда измерялась измерителем толщины льда E-M Bird, который перевозился на вертолете. E-M Bird измеряет толщину льда с помощью комбинации измерений индуктивности для определения местоположения границы раздела лед-вода и лазерный высотомер для измерения высоты ледяной поверхности.^[6]На приведенной выше карте показаны траектории полета обоих приборов, которые примерно совпадали, но явно допускали ошибку пилота.

Диаграмма ответа антенны EMIRAD

Поскольку траектории полета обоих самолетов были приблизительно линейными, первым шагом в процессе совмещения было преобразование всех совпадающих полетов в декартовы координаты с Икс- ось - это поперечное расстояние, а у-осевое поперечное расстояние. Таким образом, словосочетания могут выполняться двумя способами: грубо, сопоставляя только Икс расстояния, а точнее, сопоставив обе координаты.

Что еще более важно, размер радиометра во много раз больше, чем у измерителя E-M Bird. Фигура слева показывает функция отклика антенны для радиометра. полная ширина на половине максимальной составляет 31 градус.^[5]Поскольку самолет летел на высоте примерно 500 м, это означает, что площадь пятна контакта составляет 200 м и более. В то же время размер пятна E-M Bird составлял примерно 40 м при расстоянии между образцами от 2 до 4 м.^[6]Вместо того, чтобы искать ближайших соседей, что дало бы плохие результаты, для каждого измерения радиометра производилось средневзвешенное значение измерений толщины. Веса рассчитывались на основе функции отклика радиометра, которая почти идеально гауссова до угла примерно до 45 градусов. Точки можно было исключить. Для проверки правильности расчетов прямой модели коэффициента излучения морского льда он был дополнительно уточнен путем выполнения расчета коэффициента излучения для каждого измерения толщины и усреднения по отпечатку радиометра.^[7]

На рисунке ниже показаны относительные места проведения измерений для каждого из инструментов, использованных в кампании Pol-Ice. Показаны два эстакады: один от самолета с радиометром EMIRAD и один от вертолета с прибором E-M Bird. Ось абсцисс проходит по оси абсцисс. Следы EMIRAD показаны линиями, измерения электромагнитной индуктивности птиц представлены кружками, а измерения LIDAR - точками.

Относительные места измерения от трека полета P4X до P2A: см. Карту выше. Следы EMIRAD представляют собой стандартное отклонение по Гауссу, а не FWHM.

Рекомендации