Kolokace (dálkový průzkum Země) - Collocation (remote sensing)

Kolokace je postup používaný v dálkový průzkum Země porovnávat měření ze dvou nebo více různých přístrojů. To se děje ze dvou hlavních důvodů: pro účely validace při porovnávání měření stejné proměnné a pro přiřazení měření dvou různých proměnných buď k provedení vyhledávání, nebo k predikci. data jsou později vložena do nějakého typu statistik inverzní metoda jako je umělá neuronová síť, statistická klasifikace algoritmus, odhad jádra nebo a lineární nejmenší čtverce. V zásadě lze většinu problémů s kolokací vyřešit pomocí a hledání nejbližšího souseda V praxi však existuje mnoho dalších hledisek a nejlepší metoda je vysoce specifická pro konkrétní párování nástrojů. Zde se zabýváme některými z nejdůležitějších úvah spolu s konkrétními příklady.

Při provádění kolokací je třeba vzít v úvahu přinejmenším dvě hlavní hlediska. Prvním je vzorkovací vzor nástroje. Měření mohou být hustá a pravidelná, například měření ze satelitního nástroje pro sledování napříč stopami. V tomto případě nějaká forma interpolace může být vhodné. Na druhou stranu mohou být měření odlišná, jako je například jednorázová terénní kampaň navržená pro některé části validačního cvičení. Druhým hlediskem je stopa nástroje, která se může pohybovat od něčeho, co se blíží bodovým měřením, jako například u radiosonde, nebo to může být průměr několika kilometrů, například průměr satelitního mikrovlnného radiometru. V druhém případě je vhodné vzít v úvahu nástroj anténní vzor při porovnávání s jiným nástrojem, který má jak menší stopu, tak hustší vzorkování, to znamená, že několik měření z jednoho nástroje se vejde do stopy druhého.

Stejně jako má přístroj prostorovou stopu, bude mít také časovou stopu, často nazývanou integrační čas. Zatímco integrační čas je obvykle kratší než jedna sekunda, což je pro meteorologické aplikace v podstatě okamžité, existuje mnoho případů, kdy nějaká forma času průměrování může značně uvolnit proces kolokace.

Kolokace bude nutné prověřovat na základě časové i délkové škály fenoménu zájmu. To dále usnadní proces kolokace, protože dálkový průzkum a další naměřená data jsou téměř vždy binned Určité atmosférické jevy, jako jsou mraky nebo konvekce, jsou docela přechodné, takže nemusíme uvažovat o kolokacích s časovou chybou delší než asi tak hodinu. Mořský led se naproti tomu pohybuje a vyvíjí poměrně pomalu, takže měření se od sebe oddělí stejně jako den nebo více může být stále užitečné.

Satelity

Polární stereografická projekce ukazující 12 hodin měření ze tří přístrojů AMSU-B

The satelity že nás nejvíce znepokojují ti s nízkozemský, polární oběžná dráha od té doby geostacionární satelity sledují stejný bod po celou dobu jejich životnosti. Diagram ukazuje měření od AMSU-B nástroje namontované na tři satelity po dobu 12 hodin. To ilustruje dráhu oběžné dráhy i vzor skenování, který probíhá napříč. obíhat satelitu je deterministický, blokování manévry na oběžné dráze můžeme předpovídat polohu satelitu v daném čase a v širším smyslu i umístění měřicích pixelů. Kolokace lze teoreticky provádět převrácením určujících rovnic počínaje požadovaným časovým obdobím. V praxi částečně zpracovaná data (obvykle na úroveň 1b, 1c nebo úroveň 2) obsahují souřadnice každého z měřicích pixelů a je běžné tyto souřadnice jednoduše přenést do vyhledávání nejbližšího souseda. Jak již bylo zmíněno dříve, satelitní data jsou vždy binned nějakým způsobem. Minimálně budou data uspořádána do řádků sahajících od pólu k pólu. Řádky budou označeny časovým obdobím a známou přibližnou polohou.

Radiosondes

Výstup na meteorologický balón vystřelený z výzkumné lodi Polarstern

Radiosondes jsou obzvláště důležité pro kolokační studie, protože měří atmosférické proměnné přesněji a více přímo než satelitní nebo jiné přístroje s dálkovým průzkumem Země. Kromě toho jsou vzorky radiosondy účinně okamžitým bodovým měřením. meteorologické balóny isballoon drift. V,^[1]řeší se to zprůměrováním všech satelitních pixelů v okruhu 50 km od spuštění balónu.

Histogram rychlostí výstupu meteorologických balónů vypuštěných z výzkumné lodi Polarstern

Pokud se použijí data sondy s vysokým rozlišením, která mají obvykle konstantní vzorkovací frekvenci nebo zahrnují dobu měření, lze boční pohyb vysledovat z údajů o větru. I při datech s nízkým rozlišením lze pohyb stále aproximovat za předpokladu konstanty Rychlost výstupu. S výjimkou krátkého konce je lineární výstup jasně vidět na obrázku výše. Můžeme ukázat, že rychlost výstupu balónu je dána následující rovnicí

^[2]

${ displaystyle v = { sqrt { frac {gkh (1-R_ {a} / R_ {s})} {c_ {D}}}}}$

kde G je gravitační zrychlení,k týká se výšky, ha povrchová plocha, Abalónu na jeho objem: PROTI = khA; R_s je ekvivalentní „plynová konstanta“ balónu, R_A je plynová konstanta airandu C_D je součinitel odporu balónu. Nahrazením některých rozumných hodnot pro každou z konstant,k= 1. (balón je perfektní válec), h= 2. m, C_D = 1. a R_A je plynová konstanta helia, vrací rychlost stoupání 4,1 m / s. Porovnejte to s hodnotami uvedenými v histogramu, který kompiluje všechny spouštění terapeutické sondy z Polarstern výzkumných plavidel období jedenácti let mezi lety 1992 a 2003.

Interpolace

Pro mřížkovaná data, jako je asimilace nebo reanalýza data,interpolace je pravděpodobně nejvhodnější metodou pro provedení jakéhokoli typu srovnání. Specifický bod ve fyzické poloze i v čase lze snadno najít v mřížce a interpolaci provést mezi nejbližšími sousedy.Lineární interpolace (bilineární, trilineární atd.) je nejběžnější, i když se používá také kubický, ale pravděpodobně nestojí za extra výpočetní režii. má-li sledovaná proměnná relativně hladkou rychlost změny (teplota je toho dobrým příkladem, protože je to difúzní mechanismus, radiační přenos, není k dispozici jiným atmosférickým proměnným), pak interpolace může eliminovat velkou část chyby spojené s kolokací.

Interpolace může být také vhodná pro mnoho typů satelitních nástrojů, například jako cross-track skenovací nástroj Landsat.V ^[3] údaje odvozené z Pokročilá mikrovlnná znějící jednotka (AMSU) jsou interpolovány (i když ne pro účely kolokace) pomocí mírné variace trilineární interpolace. Protože měření v rámci jedné stopy skenování jsou rozložena do přibližně obdélníkové mřížky, lze provést bilineární interpolaci. Vyhledáním nejbližší překrývající se stopy stopy dopředu a dozadu v čase, pak mohou být prostorové interpoláty interpolovány v čase. Tato technika funguje lépe s odvozenými veličinami než se surovými teplotami jasu, protože úhel skenování již bude zohledněn.

Pro nástroje s nepravidelnějším vzorem vzorkování, například Advanced MicrowaveScanning Radiometer-EOS (AMSR-E) nástroj, který má kruhový skenovací vzor, ​​potřebujeme obecnější formu interpolace, jako je odhad jádra Metoda běžně používaná pro tento konkrétní nástroj, stejně jako SSM / I, je jednoduchý denní průměr v pravidelně mřížkovaných prostorových zásobnících.^[4]

Trajektorie

Sloučit měření středního až dlouhého trvání atmosférický indikátor s druhým běžícím nástrojem trajektorie může výrazně zlepšit přesnost. Také to poněkud zjednodušuje analýzu: trajektorie běží dopředu i dozadu z místa měření a mezi požadovaným časovým oknem. Všimněte si, že přijatelné časové okno se nyní prodlouží, protože je odstraněna chyba způsobená změnami trasování vyvolanými transportem: životnost indikátoru by bylo dobré okno použít. Jelikož trajektorie poskytují umístění pro každý časový bod v časovém okně, není třeba kontrolovat více měření z druhého přístroje. Pokaždé v rámci trajektorie se kontroluje kritérium vzdálenosti, ale ve velmi úzkém okně. Alternativně jsou přesné časy měření pro druhý přístroj interpolovány v rámci trajektorie. Použije se pouze nejmenší chyba vzdálenosti pod prahovou hodnotou a v důsledku toho lze kritérium vzdálenosti zmenšit.

Příklad: Pol-Ice kampaň

Mapa letů E-M Bird z kampaně Pol-Ice spolu s náhodnými lety EMIRAD

Sloučení tloušťky mořského ledu a teploty jasu pořízené běhemKampaň Pol-Ice jsou vynikajícím příkladem, protože ilustrují mnoho nejdůležitějších zásad a ukazují nutnost zohlednění konkrétního případu. Kampaň Pol-Ice byla vedena v severním Baltu v březnu 2007 jako součást projektu SMOS-Ice v rámci přípravy na spuštění Satelitní půdní vlhkost a slanost oceánu. Vzhledem k nízké frekvenci nástroje SMOS se doufá, že bude poskytovat informace o tloušťce mořského ledu, proto kampaň zahrnovala měření jak tloušťky mořského ledu, tak teploty emitovaného jasu. Teploty jasu byly měřeny mikrovlnným radiometrem EMIRAD L^[5]nesen na palubě letadla. Tloušťka ledu byla měřena měřičem tloušťky ledu E-M Bird, který nesl vrtulník. E-M Bird měří tloušťku ledu kombinací měření indukčnosti k určení polohy rozhraní led-voda a laserový výškoměr k měření výšky ledové plochy.^[6]Mapa výše ukazuje letové stopy obou přístrojů, které byly přibližně shodné, ale zjevně podléhaly chybě pilota.

EMIRAD vzor odezvy antény

Jelikož letové dráhy obou letadel byly přibližně lineární, prvním krokem v kolokačním procesu bylo převést všechny shodné lety na kartézské souřadnice s X-os je boční vzdálenost a y-osová příčná vzdálenost. Tímto způsobem lze kolokace provádět dvěma způsoby: hrubě, porovnáním pouze s X vzdálenosti a přesněji porovnáním obou souřadnic.

Ještě důležitější je, že stopa velikosti radiometru je mnohonásobně větší než u metru E-M Bird. Obrázek vlevo ukazuje funkce odezvy antény pro radiometr plná šířka na polovinu maxima je 31 stupňů.^[5]Vzhledem k tomu, že letoun letěl přibližně 500 m, znamenalo to stopu velikosti 200 m nebo více. Mezitím byla stopa velikosti E-Bird Bird zhruba 40 ms roztečí vzorků pouze 2 až 4 m.^[6]Spíše než se dívat na nejbližší sousedy, což by vedlo ke špatným výsledkům, byl pro každé měření radiometru proveden vážený průměr měření tloušťky. Váhy byly vypočítány na základě funkce odezvy radiometru, která je téměř dokonalá Gaussian až do asi 45 stupňů. Body lze vyloučit Pro ověření výpočtů dopředného modelu emisivity mořského ledu to bylo dále vylepšeno provedením výpočtu emisivity pro každé měření tloušťky a průměrováním přes radiometrová stopa.^[7]

Obrázek níže ukazuje relativní umístění měření z každého z nástrojů použitých v kampani Pol-Ice. Jsou zobrazeny dva nadjezdy: jeden z letounu nesoucího radiometr EMIRAD a druhý z vrtulníku nesoucího nástroj E-M Bird. Osa x je podél čára dráhy letu. Stopy EMIRAD jsou nakresleny čarami, měření EM Birdinductance jsou reprezentována kruhy a měření LIDAR s tečkami.

Relativní umístění měření od letové stopy P4X po P2A: viz výše uvedená mapa. Stopy EMIRAD představují Gaussovu směrodatnou odchylku, nikoli FWHM.

Reference