2 СУЧАСНІ МЕТОДИ ДЕШИФРУВАННЯ ТА ЦИФРОВОЇ ОБРОБКИ СУПУТНИКОВИХ ЗОБРАЖЕНЬ

2.1 Дешифрування зображень у видимій та інфрачервоній ділянках спектру

Дешифруванням називається процес розпізнавання хмарності, снігу, льоду і об'єктів земної поверхні на знімках, отриманих у видимій та інфрачервоній ділянках спектру. При дешифруванні є можливість одержати велику кількість різноманітних характеристик, що дозволяють дати якісну і кількісну оцінку об'єкта на зображенні.

Основними дешифрувальними ознаками, що дозволяють розрізняти зображення хмар різного типу та земної поверхні, є тон (яскравість) і малюнок зображення. Яскравість зображень у видимих та інфрачервоних каналах сама по собі не є достатньою дешифрувальною ознакою. Найбільш інформативною ознакою є малюнок, що створюється завдяки просторовій неоднорідності поля випромінювання і, в основному, обумовлений формою та розміром об'єктів, що зондуються, енергетичним контрастом між ними і за інших рівних умов істотно залежить від технічних параметрів апаратури: роздільної здатності, числа відтворених градацій яскравості тощо.

За характером малюнка можна відрізняти хмари від підстильної поверхні і виявляти просторовий розподіл хмарності. Основними факторами, які дозволяють вирішувати це завдання, є:

- розходження в характері малюнка зображення підстильної поверхні і хмарного покриву;

- стійкість зображення підстильної поверхні (особливо на знімках у видимому діапазоні) у порівнянні з малюнком зображення хмарності, що має просторово-тимчасову мінливість.

Малюнок зображення, відтворений на знімках, є одним з основних ознак ідентифікації багатьох синоптичних об'єктів і процесів, що протікають в атмосфері.

Виходячи з масштабів яскравісних неоднорідностей і роздільної здатності апаратури, можна виділити три основних типи структури: текстуру, мезоструктуру і макроструктуру зображення.

Текстура зображення

Текстура зображення - малюнок, утворений дрібними деталями з різною яскравістю окремих елементів, розміри яких порівнянні з роздільною здатністю апаратури. Розрізняється чотири основних типи текстури: зерниста, матова, волокниста, дендритна (рис.2.1).

Зерниста текстура – скупчення плям (зерен) світлого тону. Дрібні зерна характерні для купчастої хмарності. Іноді зернисту структуру має дрібнобитий лід. Зерниста текстура, як правило, на IR зображеннях проглядається погано.

Матова текстура - характеризується однорідним тоном зображення. Така текстура характерна для відкритих ділянок водної поверхні, туману, шаруватоподібної хмарності, суцільних льодів. На IR зображеннях матову текстуру можуть мати купчасті і шарувато-купчасті хмари в тому випадку, коли просвіти між хмарними елементами менше елементів розділення або порівнянні з ними.

Волокниста текстура – волокна, нитки, смуги незначної ширини, але витягнуті в довжину на десятки і сотні кілометрів, з розмитими нечіткими краями. Така текстура характерна для хмар верхнього та середнього ярусів.

Особливий вид текстури – дендритова – властива для покритих снігом гір і рівнин, розсічених річковою мережею. Найбільш чітко цей малюнок проглядається на зображеннях у видимому діапазоні спектру.

а) Мезоструктура зображення

Мезоструктура зображення - малюнок, створений зміною яскравості при переході від однієї групи елементів до іншої, тобто структурний малюнок середніх розмірів, деталі якого можуть мати свою текстуру.

Рис.2.1. Типи текстури

А)зерниста; Б матова); В) волокниста; Г) дендритова.

Стрілкою показані відповідні текстури на зображеннях.

Мезомасштабні хмарні системи, як правило, можуть легко розрізнятися на зображеннях у видимій ділянці спектру (HRVIS канал на супутнику MSG), що мають більш високе розділення, ніж зображення, отримані в IR каналах.

Хмарні лінії (поздовжні і поперечні) – вузькі смуги хмар, розмір яких у поперечнику порівнянний з роздільною здатністю апаратури. Проміжки між хмарними елементами ліній зустрічаються у вигляді «ланцюжків» та «вулиць». Ширина таких ліній і безхмарних просторів порівнянна з роздільною здатністю апаратури, а їхня довжина може досягати декількох сотень кілометрів (рис.2.2А).

Поперечні хмарні лінії зустрічаються рідше. Вони спостерігаються у вигляді коротких смужок, розташованих близько одна до одної, перпендикулярно або під деяким кутом до напрямку хмарних смуг атмосферних фронтів або струминних течій.

Хмарні гряди – система конвективних хмар, які розташовуючись одна біля одної, утворюють угруповання, що нагадують по зовнішньому вигляду ланцюжок. У тому випадку, коли просвіти між хмарами, що становлять одну гряду, менше роздільної здатності апаратури, гряда являє собою лінію шириною від 10 до 50 км, а довжина конвективних гряд змінюється від 30 до декількох сотень кілометрів (рис.2.2Б).

Однією з різновидів хмарних гряд є лінії шквалів - скупчення купчасто-дощових хмар у вигляді майже суцільної хмарної гряди довжиною до декількох сотень кілометрів, що зазвичай розташовується перед холодним фронтом. Ширина таких хмарних гряд варіює від декількох десятків до сотень кілометрів.

Хмарні осередки – хмарні утворення з безхмарним простором усередині і хмарним кільцем по периферії, що складається з декількох десятків хмарних елементів, що злилися один з одним або розділених невеликим безхмарним простором. Горизонтальні розміри осередків коливаються від 10 до 100 км. Найчастіше діаметр осередків становить 30-40 км. У позатропічних широтах відкриті осередки складаються з купчастих або купчасто-дощових хмар. У субтропічних широтах відкриті осередки складаються здебільшого з купчастих і потужних купчастих хмар.

Відкриті осередки на IR зображеннях видно тільки в тому випадку, коли їхній діаметр перевищує роздільну здатність апаратури і вони сформовані з потужних купчастих або купчасто-дощових хмар(рис.2.2В)

Закриті осередки – хмарні утворення, обмежені по периферії безхмарним простором. Закриті осередки утворюються із шарувато-купчастих хмар, іноді в сполученні із шаруватими або купчастими хмарами. Утворюються як над водною поверхнею, так і над сушею. Горизонтальні розміри закритих осередків змінюються від 10 до 100 км (рис.2.2Г).

Закриті осередки на IR зображеннях проглядаються тільки в тому випадку, коли хмарні елементи і відстані між ними перевищують роздільну здатність апаратури.

Хвилясті хмари – звивисті смуги шириною від сотень метрів до десятків кілометрів (рис.2.2Д). Смуги розділені безхмарними просвітами такого ж розміру. Хвилясті хмари можуть виникати внаслідок орографічних ефектів, або утворюються в однорідній масі під інверсійною шарувато-купчастою хмарністю, а також по краях великомасштабних хмарних смуг. Вид орографічних хмар може змінюватись залежно від форми перешкоди. Ці хмарні смуги звичайно складаються із шарувато-купчастих і високо-купчастих хмар. Підінверсійні хвилясті хмари мають зовнішній вигляд, подібний до орографічних хвилястих хмар, і звичайно орієнтуються перпендикулярно повітряному потоку. На IR зображеннях дрібні хвилі не проглядаються.

Рис.2.2. Типи мезоструктури

А – хмарні лінії; Б – хмарні осередки (відкриті); В – хмарна гряда; Г – хмарні осередки (закриті); Д – хвилясті хмари. Стрілками показані відповідні мезоструктури.

б) Макроструктура зображень

Макроструктура зображень характеризує геометричні особливості більших ділянок зображень, створюваних більшою кількістю елементів. Окремі ділянки зображень можуть мати різні структурні характеристики (геоструктуру, текстуру).

Хмарні смуги – хмарні утворення квазілінійної форми (рис.2.3А). Довжина хмарних смуг у кілька разів перевищує її ширину. Ширина, як правило, буває менш 1000 км. Тон і структура хмарних смуг бувають різними. Найбільш широкі і яскраві хмарні смуги відповідають активним фронтам з інтенсивними висхідними рухами вологого повітря. Хмарні смуги, що відповідають розмитим фронтам, звичайно складаються з несуцільної хмарності, а іноді з декількома окремими, розчленованими проясненнями, порівняно вузьких смуг.

У циклонах фронтальні хмарні смуги спіралеподібно вигинаються під впливом циклонічної циркуляції повітря. В антициклоні вони витягаються вздовж його периферії і трохи прогинаються в бік низького тиску у поверхні Землі.

Хмарні вихори являють собою великомасштабні хмарні утворення з вираженою спіралеподібною структурою (рис.2.3Б). Фокус спіралі є центром вихору.

У циклонічному хмарному вихорі збіжність смуг у північній півкулі відбувається проти годинникової стрілки, а в південному - за годинниковою стрілкою.

Позатропічні хмарні вихори відрізняються більшою різноманітністю розмірів і форм зображень залежно від стадії їхнього розвитку, вологості повітря, вертикальних рухів, від району формування і переміщення та інших причин. На зображеннях найбільш чітко відображаються хмарні вихори розвинених циклонів, що заповнюються і мають, як правило, велике число спіралеподібних хмарних смуг, які сходяться в одній точці. Ширина і довжина смуг, а також безхмарних просторів між ними, різноманітна. Іноді хмарний вихор утворює одна широка хмарна спіраль (зазвичай над водною поверхнею). Для хмарної системи позатропічного вихору характерне сполучення хмар різних типів. Виключення становить хмарність циклону, що заповнюється, вихрова структура якого може бути утворена з вузьких переривчастих смуг тільки купчастих хмар.

Хмарність струминних течій, як правило, складається із щільних перистих хмар, що мають волокнисту текстуру зображень. Ці високі хмари утворюються з теплої сторони струминної течії у вигляді великого витягнутого уздовж потоку суцільного масиву або у формі довгих вузьких смуг (рис.2.3В). З холодної сторони струминної течії хмари або відсутні, або є низькими. Основною ознакою впізнавання хмарної смуги струминної течії є різка межа хмар перистих форм з боку холодного повітря. При дуже сильних вітрах масив перистих хмар може мати мезомасштабні поперечні смуги, розташовані уздовж його межі по осі струминної течії.

Положення струминної течії можна визначити по хмарах, особливо по різкому краю перистих хмар або по тіні, що відкидається цими хмарами на нижче розташовані хмари.

При відсутності умов для утворення тіні від верхніх хмар зона струминної течії на тлі нижче розташованих хмар розпізнається по розходженню в тоні й структурі хмар: перистоподібна хмарність (з теплої сторони струменя виглядає яскравіше і має певну спрямованість волокон, а хмари нижнього ярусу (з холодної сторони струменя) бувають менш яскраві і розташовуються хаотично.

На зображеннях в інфрачервоному діапазоні хмарність струминної течії як найвища (сама холодна) відрізняється більшою яскравістю. Часто можна спостерігати великі маси не пов'язані із фронтальними розділами хмар перистих форм, які простягаються із тропіків у помірні широти. Ці хмарні масиви пов'язані зі струминними течіями. Вони характеризуються наявністю великої кількості смуг, орієнтованих перпендикулярно до напрямку головної хмарної смуги. Завдяки перистим хмарам струминні течії простежуються на протязі тисячі кілометрів.

Рис.2.3. Макроструктура зображень

А) Хмарна смуга; Б) хмарний вихор; В)струминна течія.

Стрілками показані відповідні макроструктури.

Основні типи хмарності

У зв'язку з тим, що роздільна здатність апаратури, установленої на супутниках, становить від одного до декількох кілометрів, на зображеннях хмарності не можна виявити деталі хмарного покриву, що розрізняються звичайним спостерігачем на поверхні Землі. Відповідно до цього класифікація типів хмарності на знімках із супутників носить більш узагальнений характер.

Купчастоподібна хмарність. Зображення купчастоподібної хмарності на знімках створюється купчастими, потужними купчастими, висококупчастими і перисто-купчастими хмарами. Кількість хмарності може бути різною, але, як правило, вона не суцільна (рис.2.4А).

Тон зображення у видимих ділянках спектру світло сірий або білий, неоднорідний. Хмарні елементи різноманітні за формою і розмірами.

На зображеннях в інфрачервоному діапазоні купчастоподібні хмари мають порівняно рівний світло-сірий тон і їх може бути видно у тих випадках, коли розміри хмарних елементів і безхмарних просторів перевищують розмір елементів розділення апаратури.

Скупчення купчастих хмар із просвітами, які порівнянні з елементами розділення, на IR зображеннях виглядають у вигляді нещільної, неоднорідної за тоном сірої завіси (особливо над морською поверхнею).

Купчастоподібні хмари можуть бути хаотично розкидані по зображенню або організовані в різного виду лінії, осередки і гряди. Чітко виявляється розходження в умовах розвитку конвекції над водною поверхнею і над сушею. Так, над рівною та однорідною поверхнею морів і океанів, тепловий стан яких змінюється дуже повільно, поля конвективних хмар звичайно мають однотипну і стійку структуру на більших площах. На противагу цьому поля конвективних хмар над сушею виглядають менш упорядковано. Значна термічна неоднорідність поверхні суші створює сприятливі умови для розвитку конвективних рухів в атмосфері, але завдяки більшим добовим коливанням температури земної поверхні поля конвективних хмар над сушею досить нестійкі в часі. Місцева циркуляція (бризовая, гірсько-долинна), обумовлена неоднорідністю підстильної поверхні, викликає локалізацію конвективної хмарності. Досить чітко виявляється на зображенні у видимому діапазоні вплив гірських масивів, височин, островів, узбережжів, рік, озер, і інших ландшафтних особливостей місцевості на розподіл конвективних хмар.

Яскравісний контраст між купчастоподібними хмарами і підстильної поверхнею, змінюється в досить широких межах. На знімках у видимому діапазоні він зростає при збільшенні розмірів хмарних елементів і їхньої згуртованості, а в інфрачервоному діапазоні - залежно від висоти хмарності.

Шаруватоподібна хмарність. Зображення шаруватоподібної хмарності на знімках створюється шарувато-дощовими, шаруватими, високошаруватими і щільними перисто-шаруватими хмарами. Крім того, деякі хмари – висококупчасті і шарувато-купчасті, що складаються із дрібних хмарних елементів, розділених просторами менше елементів дозволу апаратури, - можуть виглядати також, як шаруватоподібні (рис.2.4Б).

Як правило, полючи шаруватоподібної хмарності мають більші горизонтальні розміри. На зображеннях у видимому діапазоні шаруватоподібна хмарність має матову текстуру, тон зображення від білого до сірого залежно від потужності хмар і висоти Сонця.

На зображеннях в інфрачервоному діапазоні тон шаруватоподібної хмарності змінюється від білого до темно-сірого.

Шарувато-дощова хмарність має, як правило, фронтальне походження, тому верхня межа її розташована на великій висоті і має низьку температуру. На зображеннях шарувато-дощова хмарність виглядає світліше інших форм шаруватої хмарності і має білий тон зображення.

Високошаруваті хмари мають світло-сірий тон зображення і нечіткі контури. Ці хмари мало відрізняються від тонкої перисто-шаруватої хмарності.

Низькі шаруваті хмари звичайно зображуються рівним сірим тоном (від світло-сірого до темно-сірого) і мають однорідну структуру. У тих випадках, коли тепловий контраст між підстильною поверхнею і хмарами незначний, шаруватоподібну хмарність в інфрачервоному діапазоні виявити складно. Особливо важко це зробити по нічних зображеннях, тому що контраст температури між хмарами і підстильною поверхнею зменшується. У випадку потужної приземної інверсії, що виникає вночі внаслідок вихолоджування, верхня межа шаруватої хмарності має більш високу температуру, ніж навколишня місцевість, і хмари на зображеннях в інфрачервоному діапазоні виглядають темніше безхмарного простору. Такі хмари прийнято називати чорними шаруватими хмарами.

По супутникових зображеннях можна простежити істотну залежність процесів утворення у середині масових шаруватих хмар від характеру підстильної поверхні. Так, якщо над морями вони найчастіше спостерігаються над холодними течіями, то в умовах неоднорідності суші ці хмари утворюються над гірськими й (і) річковими долинами, улоговинами, прибережними районами й т.п. Як вказувалося вище, у зв'язку з невеликим температурним контрастом між хмарами і підстильною поверхнею низька шарувата хмарність на IR зображеннях проглядається далеко не завжди.

Шарувато–купчастоподібна хмарність. До цього типу хмарності відносяться тільки шарувато-купчасті хмари, організовані в закриті осередки.

Шарувато-купчаста хмарність формується в холодному вологому повітрі в підінверсійному шарі і має невелику вертикальну потужність. Хмарні елементи мають округлу форму. Діаметр їх від 10 до 100 км. Розмір безхмарних проміжків у кілька разів менше хмарних елементів. Структура хмарності має вигляд закритих осередків. Кількість хмарності змінюється від значної до суцільної.

Тон зображення шарувато-купчастої хмарності у видимому діапазоні змінюється від білого в центрі хмарного елементу до світло-сірого на його периферії.

Тон зображення в IR діапазоні змінюється від світло-сірого до темно-сірого. У випадку, коли відстані між хмарними елементами малі, хмарність на зображенні має вигляд суцільної сірої завіси, що часто зливається з підстильної поверхнею. Коли шарувато-купчасті хмари перебувають над однорідною поверхнею суші або водною поверхнею, температура, яка незначно відрізняється від температури верхньої межі хмар, їх буває дуже важко розпізнати.

Перистоподібна хмарність. Зображення перистоподібної хмарності на знімках створюється всіма видами перистих хмар (рис.2.4В). Іноді за перистоподібну хмарність можуть бути прийняті тонкі високошаруваті хмари. Перистоподібна хмарність найчастіше спостерігається в сполученні з іншими типами хмарності. У цих випадках підсилюється загальна яскравість хмарного поля.

На зображенні у видимому діапазоні тон перистих волокнистих хмар від світло-сірого до сірого. Перисті волокнисті хмари утворюють смуги шириною 50-100 км і довжиною більше 1000 км. Крізь цю хмарність добре проглядаються особливості рельєфу і купчасті хмари.

Тон зображення перистих хмар в інфрачервоному діапазоні змінюється від сірого до білого. Волокниста текстура не проглядається.

На зображеннях у видимому діапазоні спектру тон щільних перистих хмар змінюється від світло-сірого до білого. Найбільша яскравість відповідає центральній частині хмарних утворень, що істотно зменшується до периферії.

На зображеннях в інфрачервоному діапазоні тон щільних перистих хмар, що мають низьку температуру і непроникне випромінювання підстильної поверхні, білий або яскраво-білий, причому яскравість спадає від центральної частини хмарного масиву до периферії.

Часто така хмарність утворює смуги шириною 150-200 км, що простираються на кілька тисяч кілометрів, або великі масиви, що складаються з безлічі окремих смуг, паралельних одна одній, що мають волокнисту текстуру і тіні, що відкидають, на нижче розташовані щільні хмари, які добре видно на зображеннях у видимому діапазоні.

Перисті хмари ковадл у більшості випадків є частиною купчасто-дощових хмар. Навітряний край ковадл буває зазвичай різким, а підвітряний - розмитим. Яскравість зображення максимальна над хмарним масивом і спадає з його підвітряної сторони. Часто ковадла поширюються на відстань у кілька сотень кілометрів від купчасто-дощових хмар у вигляді «шлейфів», периферійна частина яких представляє напівпрозору хмарність із волокнистою текстурою. На зображеннях в інфрачервоному і видимому діапазонах тон ковадл однаковий і міняється від яскраво-білого над купчасто-дощовими хмарами до світло-сірого при віддаленні від них. Якщо шлейф перистих хмар потужний і короткий, то його важко відрізнити від основного масиву купчасто-дощових хмар.

Купчасто-дощові хмари. Купчасто-дощові хмари різні за своїми розмірами – від 10-40 до 100 км у діаметрі у випадку хмар, що злилися. На зображеннях вони представлені у вигляді яскравих плям і супроводжуються більш дрібними купчастоподібними хмарами. Для добре розвинених купчасто-дощових хмар характерні викиди перистих хмар.

Купчасто-дощова хмарність, як правило, розподіляється хаотично, але іноді утворює смуги, гряди.

Кількість її значна, однак можуть спостерігатися великі масиви суцільної купчасто-дощової хмарності. Тон зображення купчасто-дощових хмар від білого до яскраво-білого з добре вираженими межами. Присутність ковадл робить їхні межі менш різкими, а тон по краях менш яскравим.

Ознакою розпізнавання купчасто-дощових хмар на зображеннях у видимому діапазоні є тіні, що відкидаються ними, особливо в тих випадках, коли вони пробивають товщу шаруватоподібної хмарності.

А) Б) В)

Рис.2.4. Типи хмарності на супутникових зображеннях.

А - Купчастоподібна хмарність; Б - Шаруватоподібна хмарність; В) - Перистоподібна хмарність.