Коллокация - это процедура, используемая в дистанционном зондировании 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 связи измерений двух разных переменных либо для выполнения поиска, либо для прогнозирования. Во втором случае данные позже вводятся в некоторый тип статистического обратного метода, такой как искусственная нейронная сеть , алгоритм статистической классификации , ядерная оценка или линейный метод наименьших квадратов . В принципе, большинство проблем с совместным размещением можно решить с помощью поиска ближайшего соседа., но на практике есть много других соображений, и лучший метод очень специфичен для конкретного согласования инструментов. Здесь мы рассмотрим некоторые из наиболее важных соображений вместе с конкретными примерами.
При совмещении следует учитывать как минимум два основных момента. Первый - это образец сэмплирования инструмента. Измерения могут быть плотными и регулярными, например, измерения с помощью спутникового прибора с поперечным сканированием. В этом случае может потребоваться некоторая форма интерполяции . С другой стороны, измерения могут быть редкими, 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 точечному измерению, например, радиозонда , или может достигать нескольких километров в диаметре, например, у спутникового микроволнового радиометра. В последнем случае целесообразно учитывать диаграмму направленности антенны прибора. при сравнении с другим прибором, имеющим как меньшую площадь основания, так и более плотную выборку, то есть несколько измерений одного прибора будут соответствовать площади основания другого.
Так же, как инструмент имеет пространственный след, он также будет иметь временный след, часто называемый временем интеграции. Хотя время интегрирования обычно меньше секунды, что для метеорологических приложений по существу мгновенно, есть много случаев, когда некоторая форма усреднения времени может значительно облегчить процесс совмещения.
Эти словосочетания должны быть проверены на основе шкалы времени и длины интересующего явления. Это еще больше упростит процесс коллокации, поскольку данные дистанционного зондирования и другие измерения почти всегда каким-либо образом объединяются в группы. Определенные атмосферные явления, такие как облака или конвекция, довольно кратковременны, поэтому нам не нужно рассматривать словосочетания с ошибкой во времени более часа или около того. С другой стороны, морской лед движется и эволюционирует довольно медленно, поэтому измерения с интервалом в день или более все еще могут быть полезны.
Спутники [ править ]
Эти спутники , что наибольшее беспокойство нас являются те , с низкой околоземной , полярной орбите , так как геостационарные спутники смотреть ту же точку на протяжении всей их жизни. На диаграмме показаны измерения приборов AMSU-B, установленных на трех спутниках, в течение 12 часов. Это иллюстрирует как траекторию орбиты, так и схему сканирования, которая проходит в поперечном направлении. Поскольку орбита спутника детерминирована , запрещение орбитальных маневров, мы можем предсказать местоположение спутника в данный момент времени и, соответственно, местоположение пикселей измерения. Теоретически сопоставление может быть выполнено путем обращения определяющих уравнений, начиная с желаемого периода времени. На практике частично обработанные данные (обычно называемые уровнем 1b, 1c или уровнем 2) содержат координаты каждого из пикселей измерения, и обычно эти координаты просто передаются для поиска ближайшего соседа. Как упоминалось ранее, спутниковые данные всегда каким-либо образом группируются . Как минимум, данные будут располагаться в полосах от полюса до полюса. Ряды будут помечены периодом времени и известным приблизительным местоположением.
Радиозонды [ править ]
Радиозонды особенно важны для изучения коллокаций, потому что они измеряют атмосферные переменные более точно и прямо, чем спутниковые или другие инструменты дистанционного зондирования. Кроме того, пробы радиозонда представляют собой мгновенные точечные измерения. Одна из проблем, связанных с радиозондами, поднимаемыми на метеозондах, - это дрейф воздушного шара. В [1] это обрабатывается путем усреднения всех спутниковых пикселей в радиусе 50 км от запуска воздушного шара.
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 еще можно приблизительно оценить, если принять постоянную скорость всплытия. За исключением небольшого отрезка ближе к концу, линейный подъем хорошо виден на рисунке выше. Мы можем показать, что скорость подъема воздушного шара определяется следующим уравнением
где g - ускорение свободного падения , k связывает высоту h и площадь поверхности A воздушного шара с его объемом: V = khA ; R s - эквивалентная «газовая постоянная» воздушного шара, R a - газовая постоянная воздуха и c D - коэффициент сопротивления воздушного шара. Подставив некоторые разумные значения для каждой из констант, k = 1. (воздушный шар представляет собой идеальный цилиндр), h = 2. m, c D = 1. и R a- газовая постоянная гелия, возвращает скорость всплытия 4,1 м / с. Сравните это со значениями, показанными на гистограмме, которая объединяет все запуски радиозондов с исследовательского судна Polarstern за одиннадцать лет с 1992 по 2003 год.
Интерполяция [ править ]
Для данных с координатной привязкой, таких как данные ассимиляции или повторного анализа , интерполяция , вероятно, является наиболее подходящим методом для выполнения любого типа сравнения. Определенную точку как по физическому положению, так и по времени легко найти в сетке, и интерполяция выполняется между ближайшими соседями. Линейная интерполяция ( билинейная , трилинейная и т. Д.) Является наиболее распространенной, хотя кубическая 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 от Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU), интерполируются (хотя и не для целей коллокации) с использованием небольшого изменения трилинейной интерполяции. Поскольку измерения в пределах одной дорожки сканирования размещены в приблизительно прямоугольной сетке, может выполняться билинейная интерполяция. Путем поиска ближайшей перекрывающейся дорожки сканирования как вперед, так и назад во времени, пространственные интерполяции могут быть затем интерполированы во времени. Этот метод лучше работает с производными величинами, чем с необработанными яркостными температурами, поскольку угол сканирования уже учтен.
Для инструментов с более нерегулярной схемой выборки, таких как прибор Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS (AMSR-E), который имеет круговую схему 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 ячейках с регулярной сеткой. [4]
Траектории [ править ]
Чтобы совместить измерения средне- и долгоживущего атмосферного индикатора со вторым прибором, бегущие траекторииможет 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 с помощью второго инструмента. Каждый раз в пределах траектории проверяется критерий 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 [ править ]
Сочетания толщины морского льда и яркостной температуры, полученные во время кампании 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 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 предоставит информацию о толщине морского льда, поэтому кампания включала измерения как толщины морского льда, так и яркостной температуры излучения. Яркостные температуры измерялись микроволновым радиометром EMIRAD L-диапазона.[5] нес на борту самолета. Толщина льда измерялась измерителем толщины 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 приборов, которые были приблизительно совпадающими, но явно подверженными ошибкам пилота.
Поскольку траектории полета обоих самолетов были приблизительно линейными, первым шагом в процессе совмещения было преобразование всех совпадающих полетов в декартовы координаты с осью x, являющейся поперечным расстоянием, и поперечным расстоянием по оси y . Таким образом, сопоставление может быть выполнено двумя способами: грубо, путем сопоставления только расстояний x , а точнее путем сопоставления обеих координат.
Что еще более важно, размер радиометра во много раз больше, чем у измерителя EM Bird. На рисунке слева показана функция отклика антенны радиометра. Полуширина составляет 31 градусов. [5] Поскольку самолет летел на высоте примерно 500 м, это соответствует размеру зоны покрытия 200 м или более. Между тем, размер отпечатка EM 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 радиометром было выполнено средневзвешенное значение измерений толщины. Вес был рассчитан на основе функции отклика радиометра, которая является почти идеальной гауссовой величиной примерно до 45 градусов. Очки могут быть исключены в зависимости от расстояния по траектории полета. Для подтверждения расчетов прямой модели коэффициента излучения морского льда он был дополнительно уточнен путем выполнения расчета коэффициента излучения для каждого измерения толщины и усреднения по площади основания радиометра. [7]
На приведенном ниже рисунке показаны относительные места измерения для каждого из инструментов, используемых в кампании Pol-Ice. Показаны две эстакады: одна с самолета с радиометром EMIRAD и одна с вертолета с прибором EM Bird. Ось x расположена вдоль траектории полета. Следы EMIRAD нарисованы линиями, измерения индуктивности EM Bird представлены кружками, а измерения LIDAR - точками.
Ссылки [ править ]
- ^ С. А. Бюлер; М. Куватов; В.О. Джон; У. Лейтерер; Х. Дайер (2004). "Сравнение данных о влажности микроволновых спутников и профилей радиозондов: тематическое исследование" . Журнал геофизических исследований . 109 (D13103): D13103. Bibcode : 2004JGRD..10913103B . DOI : 10.1029 / 2004JD004605 .
- ^ Питер Миллс (2004). По следу пара: исследование хаотического перемешивания водяного пара в верхней тропосфере (PDF) (Диссертация). Бременский университет. Архивировано из оригинального (PDF) 21 июля 2011 года . Проверено 16 декабря 2010 .
- ^ Питер Миллс (2009). «Извлечение изолинии: оптимальный метод проверки допустимых контуров» (PDF) . Компьютеры и науки о Земле . 35 (11): 2020–2031. arXiv : 1202,5659 . Bibcode : 2009CG ..... 35.2020M . DOI : 10.1016 / j.cageo.2008.12.015 . S2CID 1637949 .
- ^ Г. Сприн; Л. Калешке; Г. Хейгстер (2008). «Дистанционное зондирование морского льда с использованием каналов AMSR-E 89 ГГц» . Журнал геофизических исследований . 113 (C02S03): C02S03. Bibcode : 2008JGRC..11302S03S . DOI : 10.1029 / 2005JC003384 .
- ^ a b Н. Скоу; SS Sobjaerg; 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.
- ^ а б Г. Хейгстер; С. Хендрикс; Л. Калешке; Н. Маасс; П. Миллс; Д. Стаммер; RT Tonboe; К. Хаас (2009). Радиометрия в L-диапазоне для приложений 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) . IEEE Transactions по наукам о Земле и дистанционному зондированию . 49 (2): 612–627. Bibcode : 2011ITGRS..49..612M . DOI : 10,1109 / TGRS.2010.2060729 . S2CID 20981849 .
