МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Дистанционное зондирование земли из космоса в задачах экологии
рабочая программа дисциплины

Закреплена за кафедройКафедра радиофизики и теоретической физики
Направление подготовки01.04.02. Прикладная математика и информатика
ПрофильБиокибернетика, биоинформатика и программная инженерия. ФГОС 3++
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость4 ЗЕТ
Учебный план01_04_02_ББиПИ-1-2020-1
Часов по учебному плану 144
в том числе:
аудиторные занятия 36
самостоятельная работа 108
Виды контроля по семестрам
зачеты: 2

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 1 (2) Итого
Недель 19
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 18 18 18 18
Практические 18 18 18 18
Сам. работа 108 81 108 81
Итого 144 117 144 117

Программу составил(и):
д.ф.-м.н., профессор кафедры радиофизики и теоретической физики, Лагутин Анатолий Алексеевич

Рецензент(ы):
к.ф.-м.н., доцент кафедры прикладной физики, электроники и информационной безопасности, Рудер Давыд Давыдович

Рабочая программа дисциплины
Дистанционное зондирование земли из космоса в задачах экологии

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 01.04.02 Прикладная математика и информатика (уровень магистратуры) (приказ Минобрнауки России от 10.01.2018г. №13)

составлена на основании учебного плана:
01.04.02 Прикладная математика и информатика
утвержденного учёным советом вуза от 30.06.2020 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 15.06.2020 г. № 9
Срок действия программы: 2020-2021 уч. г.

Заведующий кафедрой
д.ф.-м.н., профессор Лагутин Анатолий Алексеевич

Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2020-2021 учебном году на заседании кафедры

Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 15.06.2020 г. № 9
Заведующий кафедрой д.ф.-м.н., профессор Лагутин Анатолий Алексеевич

1. Цели освоения дисциплины

1.1.знакомство студентов с физическими основами дистанционного зондирования Земли из космоса;
освоение моделей и алгоритмов оперативного регионального космического мониторинга по данным приборов на операционных спутниковых платформах;
демонстрация практического использования оперативных спутниковых данных в экологии;
знакомство студентов с планируемыми для операционной работы в рамках программ JPSS и NPP приборами.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.01.01

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ОПК-4: Способен комбинировать и адаптировать существующие информационно-коммуникационные технологии для решения задач в области профессиональной деятельности с учетом требований информационной безопасности
ПК-1: способность осуществлять научно-исследовательскую деятельность в экологии и природопользовании с использованием современных достижений науки и техники
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.характеристики поля излучения, основные механизмы взаимодействия излучения с веществом;
основные концепции оперативного космического мониторинга характеристик, подходы к анализу и интерпретации косвенных измерений при решении задач экологии с использованием спутниковых приборов;
физические основы алгоритмов дистанционного зондирования Земли из космоса с использованием солнечного излучения в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне;
основные подходы и методы дешифрирования космических снимков с использованием нейросетевых технологий;
современные подходы к обработке спутниковой информации, поступающей в режиме прямого вещания, основные подходы к валидации данных космического мониторинга.
3.2.Уметь:
3.2.1.формулировать уравнение переноса оптического излучения в среде с поглощением и рассеянием;
формулировать и решать учебные, а также ряд реальных исследовательских экологических задач с использованием данных радиометров MODIS, и AIRS/VisNIR/AMSU и SNPP;
осуществлять выбор оптимальных методов, алгоритмов и программно-технических средств тематической обработки данных дистанционного зондирования Земли из космоса при решении экологических задач;
использовать при работе научную, справочную и учебную литературу;
приобретать новые знания, используя современные образовательные информационные технологии.
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.методами нахождения приближенных аналитических решений уравнения переноса оптического излучения в среде с поглощением и рассеянием;
языком науки, присущим данному профессиональному сообществу в рамках проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса;
элементами теории решения некорректно поставленных задач;
базовыми элементами технологий оперативного регионального спутникового мониторинга.

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Зондирование Земли из космоса: современное состояние и ближайшие перспективы (обзор проблемы)
1.1. Дистанционное зондирование Земли из космоса при помощи электромагнитного излучения. Цели и основные задачи курса. Место дистанционного зондирования в системе наук о Земле. Современные программы дистанционного зондирования Земли из космоса. Платформы космического агентства России. Программы NPP и JPSS. Программы и платформы, поддерживающие режим Direct Broadcast (DB). Лекции 2 4 Л1.1, Л1.2, Л2.1
1.2. Аппаратно-программный комплекс «УниСкан-24» для оперативного приема данных, передаваемых с космических платформ Terra, Aqua, Suomi-NPP и NOAA-20 (JPSS1). Практические 2 6 Л1.1, Л2.1
1.3. Платформы Terra, Aqua, Suomi-NPP, NOAA-20 (JPSS1), Sentinel: краткая характеристика съемочной аппаратуры, зона обзора и частота покрытия. Основные решаемые задачи. Сам. работа 2 15 Л1.1, Л2.1
Раздел 2. Показания приборов, вынесенных на космические платформы
2.1. Солнечное излучение в атмосфере Земли. Характеристики поля излучения. Взаимодействие электромагнитного излучения с атмосферой и подстилающей поверхностью Земли. Количественные характеристики, описывающие отражение от подстилающих поверхностей. Уравнение переноса. Показания спутниковых приборов. Лекции 2 6 Л1.1, Л2.1
2.2. Уравнение переноса излучения ИК-диапазона. Моделирование показания спутникового прибора. Исследование чувствительности отклика в каналах прибора к изменениям параметров системы «атмосфера-подстилающая поверхность». Практические 2 6 Л1.1, Л2.1
2.3. Решение уравнения переноса оптического излучения в плоско-параллельной атмосфере в приближении однократного рассеяния. Двунаправленные коэффициенты спектральной яркости. Плоское и сферическое альбедо. Сам. работа 2 22 Л1.1, Л2.1
Раздел 3. Алгоритмы восстановления характеристик атмосферы и подстилающей поверхности по данным спутниковых приборов
3.1. Восстановление характеристик системы по данным спутниковых приборов: прямые и обратные задачи. Модель измерения. Регрессионный метод восстановления характеристик системы «атмосфера-подстилающая поверхность» по данным спутниковых приборов: достоинства и недостатки метода. Алгоритм восстановления аэрозольной оптической толщины, количества водяного пара в атмосфере, альбедо подстилающей поверхности, определения термальных аномалий, NDVI. Лекции 2 4 Л1.1, Л2.1
3.2. Тематическая интерпретация данных дистанционного зондирования. Типы подстилающих поверхностей, NDVI, EVI, альбедо. Практические 2 6 Л1.1
3.3. Алгоритм восстановления двунаправленного коэффициента спектральной яркости по данным MODIS и VIIRS. Основные элементы алгоритма восстановления характеристик атмосферы по данным гиперспектральных зондировочных комплексов AIRS/AMSU и CrIS/ATMS. Продукты, создаваемые по данным AIRS/AMSU и CrIS/ATMS. Сам. работа 2 22 Л1.1
Раздел 4. Оперативный региональный космический мониторинг: технологии и продукты
4.1. Современные технологии обеспечения пользователей режима Direct Broadcast (DB) необходимым программным обеспечением. Характеристика вычислительных пакетов, позволяющих проводить восстановление геофизических параметров системы по данным приборов программ EOS, Suomi-NPP и JPSS (NOAA-20. Примеры использования оперативных данных дистанционного зондирования Земли из космоса в задачах экологии. Лекции 2 4 Л1.1
4.2. Структура специализированной ГИС для оперативной обработки спутниковых данных. Применение данных MODIS и VIIRS для мониторинга атмосферы и подстилающей поверхности. Оценка концентраций малых газовых компонент. Лесные и степные пожары, оценка площадей крупных очагов. Определение площади заснеженности и влагозапаса снега. Вегетационные индексы. Сам. работа 2 22 Л1.1

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания
Поясните, что понимается под дистанционным зондированием Земли из космоса. Назовите основные достоинства дистанционного мониторинга атмосферы и подстилающей поверхности прибором космического базирования.
Кратко опишите возможности приборов платформ Terra и Aqua при получении информации о состоянии окружающей среды.
Получите выражение для показания спутникового прибора, регистрирующего уходящее электромагнитное излучение в оптическом и инфракрасном диапазонах.
Сформулируйте уравнение переноса теплового излучения в условиях локального термодинамического равновесия.
Запишите уравнение, позволяющее находить коэффициент спектральной яркости подстилающей поверхности по данным спутникового прибора.
Дайте определение двунаправленного коэффициента спектральной яркости (ДКСЯ) подстилающей поверхности. Покажите связь плоского и сферического альбедо с ДКСЯ.
Охарактеризуйте спектральную отражательную способность различных природных и антропогенных объектов.
Дайте определение вегетационных индексв NDVI и EVI. Проведите анализ зависимости значений индексов от аэрозольной оптической толщины атмосферы.
Сформулируйте основные требования к характеристикам съемочной спутниковой аппаратуры, предназначенной для определения коэффициента спектральной яркости подстилающей поверхности.
Изложите основные идеи изучения почвенного покрова по данным спутниковых приборов.
Изложите основные идеи алгоритма построения маски снежного покрова по данным спектрорадиометра MODIS.
Изложите физические основы метода обнаружения лесных и степных пожаров по данным спутникового прибора.
Для количественного описания условия формирования уходящего в космос теплового излучения принято использовать весовые функции. Поясните физический смысл этих функций.
Покажите, что задача восстановления температурного профиля атмосферы по уходящему электромагнитному излучению относится к классу некорректных задач.
Для восстановления характеристик системы "атмосфера - подстилающая поверхность" часто используется регрессионный подход. Укажите достоинства и недостатки этого подхода.
Предложите метод сравнения наземных данных сети AERONET по аэрозольной оптической толщине с результатами спектрорадиометра MODIS при валидации спутниковых данных.
При измерениях распределения температуры по высоте по спектру уходящего теплового излучения в надирном варианте измерения принято использовать три диапазона спектра: полосы поглощения СО_2 на длинах волн 4,3 мкм и 15 мкм, полосу поглощения О_2 в микроволновом диапазоне (0,5 мкм). Укажите преимущества и недостатки этих областей спектра при решении задачи восстановления вертикального профиля температуры по спутниковым данным.
Укажите основные приближения, использованные при построении операционного алгоритма восстановления АОТ атмосферы над сушей по данным MODIS.
Предполагая, что спектрорадиометры MODIS / Terra и MODIS / Aqua с трехминутным интервалом провели измерения интенсивностей излучения над одной зоной суши, предложите подход, позволяющий оценить альбедо однократного рассеяния аэрозоля для сцены.
5.2. Темы письменных работ (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
1. Исследования Земли из космоса: программа России.
2. Исследования Земли из космоса: научный план программы EOS.
3. Исследования Земли из космоса: план программы JPSS.
4. Исследования Земли из космоса: научный план программы Copernicus.
5. Радиоизлучение Земли как планеты.
6. Орбиты спутников дистанционного зондирования Земли.
7. Микроволновые методы дистанционного зондирования земных покровов.
8. Перенос коротковолнового солнечного излучения в атмосфере Земли.
9. Атмосферная коррекция спутниковой информации.
10. Космический мониторинг лесных пожаров.
5.3. Фонд оценочных средств
1. Дистанционное зондирование Земли из космоса при помощи электромагнитного излучения: основные принципы.
2. Современные программы дистанционного зондирования Земли из космоса: POES, EOS, SPOT, RADARSAT, SNPP: краткая характеристика съемочной аппаратуры, зона обзора и частота покрытия, основные решаемые задачи.
3. Платформы космических агентств России, Франции, Израиля и Китая: краткая характеристика съемочной аппаратуры, зона обзора и частота покрытия, основные решаемые задачи.
4. Программы дистанционного зондирования Земли из космоса следующего десятилетия: JPSS и Copernicus.
5. Солнечное излучение в атмосфере Земли: характеристики поля излучения, взаимодействие излучения с атмосферой.
6.Модели отражения солнечного излучения объектами подстилающей поверхности. Двунаправленный коэффициент отражения, альбедо.
7.Математическая формулировка показания спутникового прибора,регистрирующего уходящее электромагнитное излучение в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах.
8. Тепловое излучение. Распределение Планка и закон Кирхгофа. Яркостная температура тела.
9. Излучательная способность материалов ПП.
10. Уравнение переноса для теплового излучения в условиях локального термодинамического равновесия.
11.Математическая формулировка показания спутникового прибора, регистрирующего уходящее электромагнитное излучение в тепловом инфракрасном и микроволновом диапазонах.
12. Элементы теории переноса в случайно-неоднородных и фрактальных средах.
13.Прямые и обратные задачи дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности. Подходы к их решению.
14. Регрессионный метод решения задач дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности. Его достоинства и недостатки.
15.Маскирование облачного покрова. Пороговые и спектральные алгоритмы. Основные элементы операционного алгоритма для MODIS.
16. Алгоритм восстановления характеристик облачного слоя по данным MODIS: положение верхней кромки, оптические и микрофизические характеристики, фазовый состав.
17. Алгоритмы восстановления профилей температуры, влажности и озона по данным MODIS.
18.Основные элементы алгоритма восстановления характеристик атмосферы по данным зондирующего комплекса AIRS (AIRS/AMSU). Роль собственно 2378-канального ИК-зондировщика AIRS. Вклад СВЧ-радиометра AMSU.
19.Оптические и микрофизические свойства аэрозоля. Физические основы восстановления аэрозольной оптической толщины и доли мелкодисперсной фракции АОТ по данным спутниковых приборов.
20.Основные элементы алгоритма MODIS восстановления аэрозольной оптической толщины и доли мелкодисперсной фракции.
21.Операционный алгоритм восстановления аэрозольной оптической толщины по данным 22-канального спектрорадиометра VIIRS программы SNPP/NOAA.
22.Мониторинг структуры снежного покрова. Алгоритм для MODIS.
23. Атмосферная коррекция данных MODIS.
24. Альбедо подстилающей поверхности. Основные элементы технологии восстановления альбедо по данным MODIS.
25. Спутниковый мониторинг температуры подстилающей поверхности.
26. Характеристика алгоритмов восстановления влагозапаса снега и влажности почвы по данным СВЧ-радиометров AMSR-E и AMSR2.
27. Вычислительные пакеты, позволяющие проводить восстановление геофизических параметров системы по данным приборов программы EOS: базовые алгоритмы PGE. Структура PGE, сборка пакетов. Формат представления результатов обработки.
28.Интеграция спутниковых и ГИС-технологий в задачах экологии.
29. ГИС GRASS. Этапы геоинформационного анализа данных дистанционного зондирования.
30.Использование данных дистанционного зондирования: примеры задач мониторинга атмосферы.
31.Использование данных дистанционного зондирования: примеры задач мониторинга подстилающей поверхности.
32. Значение современных спутниковых данных для наук о Земле.
Приложения

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 Лагутин А.А., Райкин Р.И. Дистанционное зондирование Земли из космоса: данные и продукты: Учебное пособие Барнаул: Азбука (ЭБС "АлтГУ"), 2015 http://elibrary.asu.ru/handle/asu/4258
Л1.2 В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын Общая и экологическая геофизика: учебник Москва : Физматлит (ЭБС "Лань"), 2005 https://e.lanbook.com/book/2348
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 Е.Ю. Мордвин, А.А. Лагутин Метан в атмосфере Западной Сибири: монография Барнаул: Азбука (ЭБС "АлтГУ"), 2016 http://elibrary.asu.ru/handle/asu/4278
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 ЭБС "Лань" (https://e.lanbook.com)
Э2 ЭБС "АлтГУ" (http://elibrary.asu.ru)
Э3 Физические основы зондирования Земли из космоса, автор Лагутин А.А. https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=2051
6.3. Перечень программного обеспечения
Пакет офисых приложений MS Office или аналоги
Программный комплекс 6Sv
ГИС GRASS
scanreceiver51
scanviewer
mapinfo
Microsoft Windows
7-Zip
AcrobatReader
6.4. Перечень информационных справочных систем
http://www.lib.asu.ru/
https://e.lanbook.com/
https://biblioclub.ru/

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
905М учебно-научная лаборатория космического мониторинга и вычислительной техники Аппаратно-программный комплекс L-диапазона Алиса-1; Аппаратно-программный комплекс "ЕОСкан"
Помещение для самостоятельной работы помещение для самостоятельной работы обучающихся Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

На начальном этапе формирования компетенции оценивания знаний, умений и навыков проводится с использованием контрольной работы и выполненных 3 заданий. Работа и каждое задание практикума оценивается по 20-балльной шкале.
Базовый этап формирования компетенции оценивается на зачете. Продолжительность зачета - 1 час. Билет состоит из двух разделов, которые оцениваются по 10-балльной шкале. В первом разделе представлен 1 теоретический вопрос, во втором — 2 тестовых задания. Итоговая оценка знаний, умений и навыков, сформированных в процессе освоения дисциплины на начальном и базовом этапах, определяется средними баллами контрольной работы, выполненных заданий и зачета. Оценка по 20-балльной шкале затем переводится в оценку по 4-балльной шкале.