2.2. Введення в RGB технологію обробки супутникових даних

RGB-кольорова модель

RGB-кольорова модель заснована на трьох кольорах - червоному (red), зеленому (green) і синьому (blue). RGB-модель можна назвати "рідною" для дисплея комп’ютера. Вона заснована на декартовій системі координат, у якій червоний, зелені й синій об'єднані в різні варіації, щоб відтворити всі інші кольори (рис.2.5). Основні кольори взяті з біології людини. Тобто, ці кольори засновані на фізіологічній реакції людського ока на світло. Людське око має фоторецептор клітин, що реагують на зелений (М), жовто-зелений (L) і синьо-фіолетовий (S) відтинки світла (максимальна довжина хвиль від 534 нм, 564 нм і 420 нм відповідно). Людський мозок може легко відрізнити широкий спектр різних кольорів на основі розходжень у сигналах, отриманих від трьох хвиль.
Найбільш широко RGB-кольорова модель використовується в рідкокристалічних (РК) або плазмових дисплеях, таких як телевізор або монітор комп'ютера. Кожний піксель на дисплеї може бути представлений в інтерфейсі апаратних засобів (наприклад, графічні карти) як значення червоного, зеленого й синього. RGB значення змінюються в інтенсивності, які використовуються для наочності. Камери й сканери також працюють у тому ж порядку, вони захоплюють колір датчиками, які реєструють різну інтенсивність RGB на кожний піксель.
В RGB кольорової моделі колір представлений із вказівкою, скільки кожний з компонентів червоного, зеленого й синього повинен бути включений у нього. Кожний колір може відрізнятися від мінімальної (відсутній колір) до максимальної (повної) інтенсивності. Коли всі кольори на мінімальному значенні, то відображаючий колір буде чорним. А коли всі кольори в їхньому максимальному значенні, то відображаючий колір буде білим.
RGB значення, представлені в режимі 24 біт на піксель (bpp), відомому також під ім'ям Truecolor, звичайно виділяється три цілих значення між 0 і 255. Кожне із цих трьох чисел являє собою інтенсивність червоного, зеленого й синього відповідно.
Деякі приклади з 24-бітного подання кольору:

• (255, 255, 255) являє собою білий
• (0, 0, 0) являє собою чорний
• (255, 0, 0) являє собою червоний
• (0, 0, 255) являє собою синій
• (0, 255, 0) являє собою зелений
• (255, 255, 0) являє собою жовтий
• (255, 0, 255) представляє пурпурний

Рис.2.5. RGB кольорова модель

Використання RGB для обробки супутникових зображень

Оскільки в наш час метеорологічні супутники мають на борту різноманітну багатоспектральну апаратуру, що дозволяє визначати різні метеорологічні характеристики хмарності, земної поверхні й атмосфери, з'явилась можливість використовувати RGB- кольорову модель для візуалізації отриманих композиційних (RGB) зображень.

Досить очевидно, що традиційне подання у вигляді чорно-білої кольорової гами зображень із метеорологічних супутників і ,відповідно, їхній аналіз, є не дуже ефективним з кількох причин. Перша - аналізується тільки одне або послідовно кілька спектральних зображень, що ускладнює одержання комплексної оцінки того чи іншого досліджуваного об'єкта, друга - по колірній чорно-білій гамі іноді складно визначити метеорологічний об'єкт або його стан. Подання супутникових зображень у вигляді RGB-кольорової моделі дозволяє вирішити вищевказані проблеми. RGB зображення є композиційним, у даному випадку воно складається із трьох спектральних зображень і дозволяє відобразити певною кольоровою гамою метеорологічний об'єкт, його стан або фазу розвитку.

Для того, щоб побудувати відповідне RGB зображення, необхідно знати які метеорологічні або фізичні характеристики хмарності, земної поверхні або атмосфери відображаються в спектральних каналах супутників. Причому в якості вихідних даних для побудови RGB зображення можуть використовуватися не тільки самі спектральні канали супутників, але і їхня різниця, що теж відображає метеорологічну або фізичну характеристику досліджуваного об'єкта. У таблиці 2.1 представлені метеорологічні або фізичні характеристики, що відображаються в спектральних каналах радіометру SEVIRI супутника MSG.

Таблиця 2.1.

Метеорологічні або фізичні характеристики хмарності, підстильної поверхні й атмосфери, які відображаються в спектральних каналах радіометру SEVIRI супутника MSG.

Спектральні канали радіометру SEVIRI супутника MSG	Метеорологічні або фізичні характеристики хмарності, підстильної поверхні й атмосфери
VIS0.6	оптична товща та вміст вологи та льоду в хмарі, альбедо підстильної поверхні
VIS0.8	оптична товща та вміст вологи та льоду в хмарі, альбедо підстильної поверхні
NIR1.6 IR3.9	розмір часток та фазовий склад хмари та альбедо підстильної поверхні
WV6.2, WV7.3	волога у верхніх та середніх шарах атмосфери
IR8.7, IR10.8, IR12.0	температура верхньої межі хмар та підстильної поверхні
IR8.7 - IR10.8	фазовий склад та оптична товща хмари
IR12.0 – IR10.8	оптична товща хмари
IR3.9 - IR10.8	фазовий склад та оптична товща хмари
IR13.4 – IR10.8	висота верхньої межі хмар
WV6.2 – IR10.8	висота верхньої межі хмар
HRVIS	текстурні характеристики хмарності

Існує велика розмаїтість RGB зображень для відображення якого-небудь метеорологічного утворення та підстильної поверхні, їхнього стану або фази розвитку. Вибір певного RGB зображення залежить від розв'язуваного завдання й індивидуальних кольорових переваг фахівця, що вирішує завдання.

Найбільш ефективне використання RGB зображень для виявлення на супутниковому зображенні різних типів повітряних мас, хмарності (кристалічної, краплинно-рідкої, верхнього, нижнього й середнього ярусів), снігового, льодового покривів, зон туманів. Особливе значення мають спеціальні RGB зображення для виявлення особливо небезпечних конвективних явищ, як у початковій стадії їхнього розвитку, так і в наступних.

RGB повітряні маси

Дане RGB зображення використовується для аналізу повітряних мас, визначення зон циклогенезу й струминних течій. Воно формується незалежно від часу доби, тому що в його формуванні беру участь тільки інфрачервоні канали. Для його формування використовується наступне сполучення каналів радіометру SEVIRI супутника MSG :

R (складова червоного кольору) = WV6.2 - WV7.3

G(складова зеленого кольору) = IR9.7 - IR10.8

B (складова синього кольору) = канал WV6.2

R складова характеризує вологість у верхній атмосфері, вище 400 hPa. Як правило ця складова добре описує області проходження струминних течій, у яких спостерігається незначна кількість вологи. Вона побудована на різниці значень у каналах водяної пари WV6.2 і WV7.3, нормалізовані вагові функції яких представлені на рис.2.6. Нормалізована вагова функція характеризує внесок різних шарів атмосфери в сигнал формований на супутнику в певному спектральному каналі.

Рис. 2.6. Нормалізовані вагові функції інфрачервоних каналів радіометра SEVIRI супутника MSG

G складова характеризує вміст озону в повітряній масі. У холодній повітряній масі спостерігається підвищений вміст озону, і навпаки в теплій повітряній масі спостерігається знижений вміст озону. Ця складова побудована на різниці значень у каналах IR9.7 і IR10.8. Канал IR9.7 перебуває в смузі поглинання озону, на рис.2.6 видно, що максимум вагової функції перебуває в нижніх шарах стратосфери, де спостерігається максимум вмісту озону.

B складова характеризує вміст вологості в середніх і верхніх шарах тропосфери. Вона побудована за даними каналу водяної пари WV6.2.

Колірна інтерпретація RGB повітряні маси представлена рис.2.7.

Високий вміст вологості у верхньому шарі тропопаузи

Високий вміст вологості у верхньому шарі тропопаузи

Рис.2.7. Колірна інтерпретація RGB повітряні маси

Як приклад розглянемо, побудоване за даними супутника MSG, RGB повітряні маси від 22 грудня 2008 року о 14:30 UTC (рис.2.8). На зображенні чітко видна зона струминної течії й активного циклогенезу, позначених 1. Зона струминної течії перебуває над Англією, а активного циклогенезу над Західною частиною Росії. На півдні Європейського континенту переважає тепла повітряна маса, позначена 2. На півночі й сході континенту спостерігається холодна повітряна маса (3). Хмарність, пов'язана з активними циклонами, має щільні хмари верхнього ярусу (5), на іншій частині континенту переважають хмари нижнього й середнього ярусів (4).

Рис.2.8. RGB повітряні маси 22 грудня 2008 року о 14:30 UTC

RGB-зображення, що використовуються для визначення особливо небезпечної конвективной хмарності

RGB денна мікрофізика

Дане RGB використовується для визначення типів хмарності по супутниковому зображенню в денний час доби. У його формуванні беруть участь канали у видимому VIS06, у ближньому інфрачервоному IR39 і в інфрачервоному IR108 діапазонах. Колірна відповідність каналів наступна:

R (складова червоного кольору) = VIS06

G (складова зеленого кольору) = IR3.9

B (складова синього кольору) = IR10.8

Беручи до уваги, що дане сполучення каналів характеризує, відповідно, оптичну товщину хмарності (геометричні розміри), фазовий стан і мікрофізику, в основному верхньої межі хмарності й температуру на цій межі, то по цих характеристиках оцінюються типи хмарності й позначаються на зображенні певною колірною гамою. Дуже важливе значення даного RGB у тому, що використовуючи його, можна простежити динаміку утворення особливо небезпечної конвективної хмарності, коли спостерігається ріст хмарності й змінюються його мікрофізичні характеристики. На рис.2.9 наведена колірна інтерпретація RGB денна мікро фізика.

Рис.2.9. Колірна інтерпретація RGB денна мікрофізика

Для території України використання даного RGB найбільш ефективне у весняно-літній період, коли дуже часто спостерігаються конвективні явища. На рис.2.10 показано RGB зображення 15:30 UTC 22 квітня 2008 року. Стрілкою відзначене конвективне утворення, що рухається з території Румунії на південь Одеської області. По характерній колірній гамі видно, що на верхній межі даної хмарності утворюється дрібна кристалічна хмарність, що свідчить про сильні висхідні потоки усередині конвективної хмари. Такий процес указує на інтенсивність конвекції, що може привести до гроз і шквалів.

Рис.2.10. RGB денна мікрофізика 15:30 UTC 22 квітня 2008 року

RGB особливо небезпечні конвективні хмари

Дане RGB використовується для спостереження за особливо небезпечними конвективними явищами погоди в денні години в літню пору. У його формуванні беруть участь канали у видимому діапазоні високого просторового розділення (HRVIS), у ближній інфрачервоній області (IR3.9) і інфрачервоній (10.8). Кольорова відповідність каналів наступна:

R (складова червоного кольору) = HRVIS

G (складова зеленого кольору) = HRVIS

B (складова синього кольору) = IR3.9-IR10.8

Дане сполучення каналів дозволяє виділяти на зображенні особливо небезпечні конвективні хмарні утворення по появі на їхній верхній межі дрібних кристалів, що свідчить про інтенсивні вертикальні рухи. Як правило, в таких хмарах утворюються грози, град, сильні зливи й все це супроводжується сильними поривами вітру. Цифровий фільтр, використовуваний для побудови даного RGB дозволяє відображати тільки конвективну хмарність і дозволяє сконцентруватися фахівцеві на її аналізі. На рис.2.11 показана кольорова інтерпретація RGB особливо небезпечні конвективні хмари.

Рис.2.11. Колірна інтерпретація RGB особливо небезпечні конвективні хмари

Як приклад побудови RGB особливо небезпечні конвективні хмари показана на рис.2.12 ситуація над західною частиною України 23.06.2008 р.

Рис.2.12. RGB особливо небезпечні конвективні хмари 11:30 UTC 23 червня 2008 р. Червоною стрілкою зазначена особливо небезпечна конвективна хмара.

RGB для оцінки загальної синоптичної ситуації й хмарності за супутниковими даними в денний час доби

RGB каналу високого просторового дозволу

Дане RGB може використовуватися для оцінки загальної синоптичної ситуації й розподілу хмарного покриву в денний час. Перевагою цього RGB є більш детальне подання полів хмарності, тому що в його формуванні бере участь канал у видимому діапазоні високого просторового розділення. Кольорова відповідність каналів наступна:

R (складова червоного кольору) = HRVIS

G (складова зеленого кольору) = HRVIS

B (складова синього кольору) = IR10.8

На даному зображенні добре розділяються хмари верхнього, середнього й нижнього ярусів, земна й морська поверхні. Завдяки детальності зображень добре спостерігається конвективна хмарність, особливо ковадло на її верхній межі. На рис.2.13 показана колірна інтерпретація даного RGB.

Рис.2.13. Колірна інтерпретація RGB для оцінки загальної синоптичної ситуації й хмарності

Як приклад показане RGB зображення 13:15 UTC 5 липня 2008 р. на рис.2.14.

Рис.2.14. RGB для оцінки загальної синоптичної ситуації й хмарності 13:15 UTC

5 липня 2008 р.

RGB сонячні канали

З назви даного RGB видно, що воно формується за даними видимих каналів і каналів, де сонячна складова відіграє основну роль при формуванні сигналу від підстильної поверхні, у денний час, а саме:

R (складова червоного кольору) = VIS1.6

G(складова зеленого кольору) = VIS0.8

B (складова синього кольору) = VIS0.6

До видих каналів (VIS06 і VIS08), що традиційно використовуються, додається канал VIS1.6, що має смугу поглинання снігу або льоду, тому з його допомогою добре ідентифікуються на зображенні сніг, лід і кристалічна хмарність. Також дане RGB корисно при визначенні туманів на супутниковому зображенні. Колірна інтерпретація RGB сонячні канали представлений на рис.2.15.

Рис.2.15. Колірна інтерпретація RGB сонячні канали.

Як приклад приводимо RGB сонячні канали, побудоване в 10:45 UTC 24.12.08 на рис.2.16.

Рис.2.16. RGB сонячні канали 10:45 UTC 24.12.08.

1 - сніг у горах; 2 - туман, шарувата хмарність; 3 - рослинний покрив; хмарність верхнього ярусу; 5 - пустельні території.

RGB денні сонячні канали

Дане RGB є досить важливим для визначення снігового покриву узимку у світлий час доби. У його формуванні беруть участь видимий канал і канали в ближній інфрачервоній області, що мають смугу поглинання снігу або льоду. Колірна відповідність каналів наступна:

R(складова червоного кольору) = VIS0.8

G (складова зеленого кольору) = (NIR1.6)

B (складова синього кольору) = IR3.9r (сонячний компонент)

Крім снігового покриву по даному RGB виділяються тумани й шарувата хмарність нижнього ярусу. Колірна інтерпретація RGB денні сонячні канали представлена на рис.2.17.

Рис.2.17. Колірна інтерпретація RGB денні сонячні канали

На рис.2.18 представлено RGB денні сонячні канали, отримане 10:45 UTC 24.12.08. Якщо ми зрівняємо його з попередньої RGB (рис.2.16), то сніжний покрив (1), як і щільна кристалічна хмарність (4) виглядають більш контрастно.

Рис.2.18. RGB денні сонячні канали, отримане 10:45 UTC 24.12.08.

1 - сніг у горах; 2 - туман, шарувата хмарність; 3 - рослинний покрив; хмарність верхнього ярусу; 5 - пустельні території.

RGB для оцінки загальної синоптичної ситуації й хмарності за супутниковим даними в нічний час доби

RGB нічна мікро фізика

Для аналізу синоптичної ситуації й хмарності в нічний час доби використовується RGB нічна мікро фізика. Дане RGB будується по інфрачервоних каналах, з огляду на їхню різну чутливість до мікрофізичних характеристик хмарності. Колірна відповідність каналів наступна:

R (складова червоного кольору) = IR12.0 - IR10.8

G (складова зеленого кольору) = IR10.8 - IR3.9

B (складова синього кольору) = IR10.8

За допомогою даного RGB проводиться аналіз хмарності, виділення зон туманів, безхмарної поверхні. На рис.2.19, 2.20 представлена колірна інтерпретація RGB нічна мікро фізика.

Рис.2.19. Колірна інтерпретація RGB нічна мікрофізика

Рис.2.20. Колірна інтерпретація RGB нічна мікрофізика

Як приклад на рис.2.21 показано RGB нічна мікрофізика 01:45 UTC 25.12.08, на якому позначені різні типи хмарності й підстильної поверхні

Рис.2.21.RGB нічна мікрофізика 01:45 UTC 25.12.08

1 - хмарність нижнього ярусу в теплій повітряній масі; 2 - земна поверхня (безхмарно); 3 - хмарність нижнього ярусу в холодній повітряній масі (туман); 4 - щільна хмарність верхнього ярусу; 5 - морська поверхня (безхмарно); 6 - щільна хмарність середнього ярусу