Анализ спектральных распределений яркости излучения по результатам съемки фотоспектральной системой с борта МКС

В Научно-исследовательском институте прикладных физических проблем Белорусского Государственного Университета по заказу Института географии РАН и ОАО «РКК “Энергия”» разработана и изготовлена научная аппаратура – фотоспектральная система (ФСС), предназначенная для проведения измерений спектров отраженного излучения подстилающих поверхностей в диапазоне длин волн от 350 до 1050 нм (модуль спектрорадиометра) и фотоизображений высокого пространственного разрешения в видимом диапазоне длин волн (модуль регистрации изображений) на Российском сегменте Международной космической станции (МКС) в космическом эксперименте «Ураган» (экспериментальная отработка наземно-космической системы мониторинга и прогноза развития природных и техногенных катастроф).
ФСС была доставлена на борт РС МКС 4 июля 2010 года. За время эксплуатации прибора на МКС было проведено порядка 20 сеансов съемок, отснято более 1500 спектров высокого разрешения и 500 соответствующих им изображений. К настоящему времени большая часть данных передана на Землю, проведен анализ стабильности наземных калибровок системы и разработаны методики обработки данных ФСС.
Целью данной работы является обработка данных ФСС для повышения достоверности обнаружения и повышения точности классификации различных объектов из космоса на основе совместной обработки спектров и изображений и формирование базы данных спектральных сигнатур объектов подстилающих поверхностей и явлений для последующего использования при обработке космической информации.
В работе описывается технология восстановления спектров СПЭЯ объектов земной поверхности по данным спектрометрирования высокого спектрального разрешения и RGB-изображениям высокого пространственного разрешения. Ключевым моментом методики является использование отдельных полиномиальных разложений спектральной плотности энергетической яркости по длинам волн для каждого из каналов цветности R, G, B и каждого пикселя (либо класса предварительной классификации). Для нахождения приближенных спектральных кривых для каждого пикселя изображения, находящегося в пределах входной щели полихроматора спектрорадиометра, необходимо решить систему линейных уравнений для коэффициентов разложения. Система уравнений составляется на основе сопоставления измеренных изображений и спектров с соответствующими свертками теоретических кривых (полиномиальных разложений), а также требований непрерывности спектральных кривых и их производных на границах спектральных каналов R, G, B. Далее осуществляется экстраполяция (вычисление) спектров для остальных пикселей изображения.
По данным космического и наземного спектрометрирования в видимом диапазоне длин волн исследовано влияние атмосферы на спектральные зависимости отраженного солнечного излучения от различных природных поверхностей.
На основе модельных расчетов дано объяснение экспериментально зарегистрированной величины «синего смещения» (в коротковолновую область) максимума спектрального распределения излучения, уходящего с верхней границы атмосферы, по отношению к максимуму спектральной солнечной постоянной.
Последующая обработка получаемой информации, содержащей зарегистрированные из космоса спектры высокого разрешения, с их точной пространственной привязкой к изображениям высокого пространственного разрешения, с использованием новых методов обработки позволит перейти к более эффективным и точным алгоритмам автоматической классификации объектов с целью практического использования результатов космического эксперимента «Ураган».