Оценка изменчивости спектральных отражательных характеристик природных и антропогенных поверхностей для радиометрической калибровки спутниковых сенсоров

На сегодняшний день спутниковые системы являются одним из важнейших источников информации в различных отраслях аграрно-промышленного комплекса стран мира. Актуальным подходом к исследованиям является анализ синтезированных изображений высокого пространственного и временного разрешения на основе совместного применения различных спутниковых систем (Плотников, Чжоу, 2024). Для такого синтеза оптические системы нуждаются в высокоточной радиометрической калибровке. При этом, как и у любой измерительной аппаратуры, калибровочные коэффициенты регистраторов данных космического уровня могут изменяться в течение продолжительного периода работы, что требует проведения полетных калибровок (Катковский и др., 2020). Такие полетные калибровки могут осуществляться при проведении многоуровневых экспериментов с использованием мобильных передвижных спектрометрических систем (Катковский и др., 2017) или с использованием стационарных калибровочных пунктов (Bouvet et al., 2019; Ивуть и др., 2023). Целью данного исследования стала оценка изменчивости спектральных отражательных характеристик природных и антропогенных объектов при использовании стационарного измерительного устройства для выбора наиболее информативных типов калибровочных поверхностей.
В качестве измерительного устройства была использована разработанная специализированная сканирующая система, входящая в состав опытного образца стационарного высотного калибровочного пункта (Ивуть и др., 2023), состоящего из гиперспектральной системы (на диапазон длин волн 400‒900 нм), широкодиапазонного спектрорадиометра (900‒2500 нм); видеокамеры наведения; системы наведения и сканирования по азимуту и углу вертикальной плоскости; датчика метеопараметров (температура, давление, влажность); датчика состояния небесной полусферы (дополнительная видеокамера); датчика спектральной освещенности (400‒900 нм).
В августе-сентябре 2024 года были проведены мультивременные измерения спектральных отражательных характеристик различных природных и антропогенных объектов: областей крыш белого и черного цветов; участков леса (раздельно хвойные и лиственные породы); зоны сельскохозяйственного поля, засеянного кукурузой; земной глади, равномерно покрытой песчано-щебневой смесью; водной поверхности. Измерения проводились в дни с минимальной или отсутствующей облачностью.
При измерении отражательных характеристик каждого из объектов выполнялось по 5 итераций сканирования. В каждой из итераций записывались серии из 5 спектров, зарегистрированные всеми сенсорами. Чтобы не хранить весь набор измеренных данных, а также чтобы приблизиться к пространственному разрешению спутниковых систем выполнялось пространственное усреднение спектральных кривых. Среднее значение относительного разброса значений яркости по всем длинам волн для данных гиперспектральной системы составляет от 0,98 % (для белой крыши) до 7,03 % (для лиственного покрова дуба) c вариабельностью СКО среди объектов съемки соответственно от 0,29 % до 2,59 %. Величина такого разброса фактически будет напрямую влиять на точность калибровки спутниковой системы, поэтому при создании калибровочного полигона особое внимание необходимо уделять однородности поверхностей на участках тестового полигона. Важно отметить, что для ИК-области неоднородность спектральных характеристик существенно выше, и для темных объектов (например, черная крыша) относительный разброс может доходить до 20 %. Однако для объектов с высоким (> 0,6) и средним (0,3 ‒ 0,6) коэффициентом отражения средний разброс значений удерживается на уровне 6-7 %.
Большой интерес представляет временная изменчивость отражательных характеристик объектов, так как она напрямую влияет на точность калибровки при проведении квазисинхронных многоуровневых измерений. При оценке данного параметра, как и непосредственно при калибровке спутниковых сенсоров, важно приводить все данные к единому углу возвышения Солнца. После выполнения этой процедуры была произведена оценка величины разброса значений спектральной плотности энергетической яркости относительно среднего значения по измеренным спектрам в доступном для используемой системы диапазоне длин волн. Было выявлено, что наименьшими значениями среднего относительного разброса за весь период наблюдений характеризуются спектры отражения от черной крыши и песчано-щебневой смеси (~15%), для растительных объектов характерен более высокий разброс (~35%), а озеро и белая крыша имеют самые высокие показатели разброса (~50% и ~75%, соответственно). Для водной поверхности это объясняется низким значением угла спектрометрирования (17 градусов), в результате чего наблюдался эффект отражения участка небесной полусферы в водной глади. Помимо этого, в процессе анализа не учитывался азимутальный угол Солнца, что в случае измерений спектральных отражательных характеристик белой крыши в совокупности с ее изгибистой поверхностью и высокой отражательной способностью привело к высоким значениям разброса.
Таким образом, наиболее подходящими поверхностями для квазисинхронных измерений с целью последующей радиометрической калибровки спутниковых сенсоров являются антропогенные объекты вследствие наименьшего пространственного и временного разброса значений спектральных отражательных характеристик. При этом важно отметить, что предпочтительнее иметь набор поверхностей с различными отражательными способностями.