Кафедра термогидромеханики океана МФТИ

преподаватель: Иванов Андрей Юрьевич кандидат физико-математических наук

Цели курса

• формирование основных знаний в области дистанционного зондирования океана (ДЗО), его методов и подходов, а также о гидрофизических и биологических процессах, которые можно исследовать с помощью ДЗО;
• формирование исследовательских навыков и способности применять данные ДЗО на практике.

Задача курса

Дать студентам базовые знания в области дистанционного зондирования океана (ДЗО).

Содержание курса, структурированное по темам (разделам)

1. Введение в предмет
   Содержание лекций курса, цель курса. Историческая справка. Необходимость дистанционного зондирования океана (ДЗО) для океанологии/океанографии.
   
   
2. Поля и явления Мирового океана
   Основные понятия и принципиальные различия. Что нужно знать океанологам из космоса
   
   
3. Дистанционное зондирование океана (ДЗО)
   Основные понятия. Различные средства, методы и подходы в ДЗО. Спутниковый мониторинг.
   
   
4. Спектр электромагнитных волн
   Видимый, инфракрасный и микроволновый диапазоны. Поглощение в атмосфере и окна пропускания.
   
   
5. Основы ДЗО в оптическом диапазоне
   Отражение, проникновение и поглощение солнечного света в верхнем слое моря. Входящее и исходящее излучение. Основные рассеиватели. Спектральные закономерности. Влияние атмосферы, атмосферная коррекция.
   
   
6. Оптические датчики ДЗО: камеры и сканеры цвета.
   Основные типы оптических датчиков и их устройство. Принципы зондирования в оптическом диапазоне. Спутники/датчики: SPOT, Landsat, UK-DMC2, SeaWiFS (SeaStar), MERIS (Envisat), MODIS (Terra и Aqua), OCM-2 (Oceansat-2), POLDER-3 (Parasol), VIIRS (Suomi NPP) и др.
   
   
7. Основы ДЗО в инфракрасном диапазоне
   Ближний, средний и дальний ИК-диапазоны. Особенности зондирования в этих диапазонах. Дневное и ночное зондирование. Влияние атмосферы, атмосферная коррекция.
   
   
8. Инфракрасные датчики ДЗО: ИК-радиометры
   Основные типы инфракрасных датчиков – ИК-радиометры и их устройство. Принципы зондирования в инфракрасном диапазоне. Датчики/спутники: AVHRR (NOAA-1NOAA-18), MODIS (Terra и Aqua), ATSR/AATSR (ERS-2/Envisat), VIIRS (Suomi NPP) и др.
   
   
9. Датчики ДЗО: спектрорадиометры
   Совмещение в датчиках ДЗО оптического и инфракрасного каналов. Принципы работы спектрорадиометров. Датчики/спутники: AVHRR (NOAA), MODIS (Terra и Aqua), VIIRS (Suomi NPP) и др.
   
   
10. Основы ДЗО в микроволновом (СВЧ) диапазоне
    Активные и пассивные режимы работы, боковой обзор и зондирование в надир. Прозрачность атмосферы для СВЧ-сигнала и всепогодность СВЧ-приборов. Основные типы датчиков и решаемые задачи.
    
    
11. Микроволновые датчики ДЗО: РЛС БО и РСА
    Режимы бокового обзора и синтезирования апертуры. Размеры антенны и пространственное разрешение. Возможность поляризационной съемки. Радиолокационное изображение и радиолокационные продукты. Примеры основных продуктов. Радиолокационные спутники: Seasat, «Алмаз-1», ERS-1/ERS-2, Envisat, Radarsat-1/2, СOSMO-SkyMed, ТerraSAR-X, Sentinel-1 и др.
    
    
12. Микроволновые датчики ДЗО: высотомеры и альтиметры
    Режим бокового обзора в маломощном режиме. Восстановление параметров ветра (скорости и направления) у поверхности моря с использованием нескольких разно-ориентированных антенн. Датчики/спутники: ESCAT (ERS-1/ERS-2), NSCAT (ADEOS), SeaWinds (ADEOS-2, Quikscat), ASCAT (Metop-A) и др.
    
    
13. Микроволновые датчики ДЗО: скаттерометры
    Режим зондирования в надир. Особенности излучения и взаимодействия сигнала с поверхностью моря. Восстановления параметров поля уровня океана. Альтиметрические спутники: Geosat, GFO, Topex-Poseidon, Jason-1/2, Cryostat-2 и др.
    
    
14. Микроволновые датчики ДЗО: пассивные СВЧ-радиометры
    Режимы работы пассивных СВЧ-радиометров. Частотные диапазоны, режимы зондирования и сканирования. Восстановление параметров поля ветра, температуры и солености поверхности океана, а также влажности столба атмосферы, влагозапаса облаков, интенсивности выпадения осадков и др. параметров атмосферы над океаном. Датчики/спутники: SSM/I (F1-F20), TMI (TRMM), AMSR-E (Aqua), ATMS (Suomi NPP), SMOS, Aquarius и др.
    
    
15. Основы лазерного зондирования океана и в ультрафиолетовом диапазоне
    Основные принципы лазерного и УФ зондирования. Лидары и УФ-радиометры.
    
    
16. Аэрокосмические методы ДЗО
    Совмещение в системах ДЗО космических и самолетных средств дистанционного зондирования. Триада: спутник - самолет - судно.
    
    
17. Орбиты, полоса обзора и разрешение
    Параметры орбит спутников ДЗО. Полосы обзора, режимы зондирования и сканирования. Понятия пространственного, радиометрического и спектрального разрешений.
    
    
18. Мультиспектральность и мультидатчиковость
    Мультиспектральные системы датчиков ДЗО. Мультидатчиковой подход в ДЗО.
    
    
19. Точности определения основных параметров океана
    Радиометрическое и спектральное разрешения, полоса обзора. Восстановление параметров океана из данных ДЗО, ограничения методов ДЗО.
    
    
20. Основные виды и методы обработки и анализа космических снимков
    Сжатие, фильтрация и усреднение изображений, геометрическая и радиометрическая коррекция, устранение спекл-шума и т.п. Предварительная и тематическая обработка. Принципы создания основных океанографических и геоинформационных продуктов. Геоинформационный подход в ДЗО. Валидация и верификация. Использование подспутниковых наблюдений. Программное обеспечение для обработки данных ДЗО. Он-лайн продукты на интернет-ресурсах
    
    
21. Анализ и обработка снимков оптического диапазона
    Особенности обработки снимков оптического диапазона. Восстановление полей хлорофилла-а, растворенной органики (ОРОВ) и терригенной взвеси. Биооптические алгоритмы.
    
    
22. Анализ и обработка снимков инфракрасного диапазона
    Особенности обработки снимков инфракрасного диапазона. Восстановление ТПО.
    
    
23. Анализ и обработка радиолокационных данных
    Особенности обработки радиолокационных данных для задач ДЗО. Сырые данные (голограммы), синтез радиолокационных изображений, радиолокационный контраст и разрешение.
    
    
24. Дистанционное зондирование волновых процессов в океане
    Поверхностные и внутренние волны. Особенности зондирования поверхностных волн, ветровые волны и зыбь. Зондирование поля волнения. Зондирование внутренних волн.
    
    
25. Дистанционное зондирование течений
    Зондирование поверхностных течений, особенности зондирования поля течений.
    
    
26. Дистанционное зондирование фронтов и фронтальных зон
    Особенности зондирования океанских фронтов, фронтальных зон и зон апвеллинга.
    
    
27. Дистанционное зондирование хлорофилла и цветений
    Особенности зондирования биологических процессов. Фитопланктон, хлорофилл, растворенное органическое вещество и терригенная взвесь. Основные биооптические параметры.
    
    
28. Дистанционное зондирование пленочных загрязнений
    Особенности зондирования пленочных загрязнений морской поверхности. Типы пленочных загрязнений: сырая нефть, нефтепродукты, судовые разливы, грифонные пленки. Биогенные пленки. Обнаружение и идентификация пленочных загрязнений.
    
    
29. Дистанционное зондирование процессов в нижнем слое атмосферы
    Особенности зондирования процессов в нижнем слое атмосферы. Восстановление параметров приводного ветра и волновых процессов в атмосфере по их отпечаткам на морской поверхности.
    
    
30. Дистанционное зондирование морских льдов
    Основные типы льдов, их поверхностные характеристики альбедо и шероховатость. Использование оптических, микроволновых и радиолокационных данных для мониторинга ледовой обстановки. Мониторинг айсбергов.
    
    
31. Дистанционное зондирование судовой обстановки
    Детектирование судов и их следов.

Основная литература

1. Рис У. Основы дистанционного зондирования: – М.: Техносфера, 2006. – 336 с.
2. Монин А.С., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – 375 с.
3. Спутниковая гидрофизика / Б.А. Нелепо, Ю.В. Терехин, В.К. Коснырев, Б.Е. Хмыров – Изд-во «Наука», 1983 – 252 с.
4. Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB. – М.: Техносфера, 2006. – 616 с.
5. Чандра А.М., Гош С.К. Дистанционное зондирование и географические информационные системы. – М.: Техносфера, 2008. – 312 с.
6. Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. – М.: Изд-во «А и Б», 1997. – 296 с

Учебно-методические материалы для самостоятельной работы

1. Романов В.В. Геоинформационные технологии и интерактивная компьютерная обработка изображений в задачах дистанционного зондирования океана: Учеб. пособие. – М.: МФТИ, 1999. – 230 с.
2. Кашкин В.Б., Сухинин А.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса. Цифровая обработка изображений: Учеб. пособие. – М.: Логос, 2001. – 264 с.
3. Доронин Ю.П. Океанография шельфовой зоны: Учеб. пособие. – СПб.: РГГМУ, 2007. – 127 с.
4. Кошляков М.Н., Тараканов Р.Ю. Введение в физическую океанографию: Учеб. пособие. – М.: МФТИ, 2014. – 142 с.
5. Аверкиев А.С., Беликова Г.И., Белянцев М.А.,  Каган Б.А., Плинк Н.Л. Взаимодействие океана с атмосферой (лабораторный практикум). – Л.: Гидрометеоиздат, 1989. – 200 с.

Дополнительная литература

1. Robinson I.S. Measuring the Oceans from Space: The principles and methods of satellite oceanography. – Springer Praxis Books / Geophysical Sciences, 2004. – 670 p.
2. Robinson I.S. Discovering the Ocean from Space: The unique applications of satellite oceanography – Berlin, Springer/Praxis Publishing, 2010. – 638 p.
3. 3. Гилл А. Динамика атмосферы и океана. Т.1. / пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 397 с.
4. Шовенгердт Р.А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений. – М.: Техносфера, 2010. – 560 с.
5. Дейвис Ш.М., Ландгребе Д.А., Филлипс Т.Л. и др. Дистанционное зондирование: количественный подход / Под ред. Ф. Свейна и Ш. Дейвис. Пер. с англ. – М.: Недра, 1983. – 415 с.
6. Савиных В.П., Цветков В.Я. Геоинформационный анализ данных дистанционного зондирования. – М.: Картгеоцентр-Геодезиздат, 2001. – 228 с.
7. Верба В.С., Неронский Л.Б., Осипов И.Г., Турук В.Э. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования – М.: Радиотехника, 2010. – 681 с.
8. Комплексный спутниковый мониторинг морей России / О.Ю. Лаврова, А.Г. Костяной, С.А. Лебедев и др. – М.: ИКИ РАН, 2011. – 480 с

Перечень ресурсов, необходимых для освоения дисциплины

1. Physical principles of remote sensing: http://www.iapmw.unibe.ch/teaching/vorlesungen/remotesensing
2. Электронная библиотека Физтеха: http://lib.mipt.ru/
3. Сайт сети публикации геоданных и данных по окружающей среде: http://www.Pangaea.de
4. Сайт ЕСИМО: http://www.data.oceaninfo.ru
5. Сайт научной литературы: http://www.sci-hub.org
6. Сайт научной океанографической литературы: http://www.oceanographers.ru