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 различных отраслях экономики; 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.01 |
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
| ПК-1 | Способность проводить эксперименты по наладке и тестированию работоспособности оборудования по заданной методике, обрабатывать полученные результаты на современном уровне; |
| ПК-2 | Способность к осуществлению исследований физических явлений радиофизическими методами; |
| ПК-6 | Способность к разработке новых программно аппаратных комплексов по численному моделированию процессов и явлений различной физической природы |
| В результате освоения дисциплины обучающийся должен | |
| 3.1. | Знать: |
|---|---|
| 3.1.1. | Знает основные методы проведения физических и радиофизических измерений, в том числе с использованием систем сбора данных. Знает принципы работы основного профессионального программного обеспечения и вычислительных систем, используемых в профессиональной области. Знает основные этапы проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок. |
| 3.2. | Уметь: |
| 3.2.1. | Умеет проводить измерения пара-метров радиофизической системы в целом и/или ее отдельных элементов. Умеет производить установку, настройку и анализировать работоспособность специализированного программного обеспечения. Умеет оценить степень новизны предлагаемого решения задачи. |
| 3.3. | Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть): |
| 3.3.1. | Владеет навыками обработки данных как с использованием готовых программных решений, так и с использованием подпрограмм и функций из библиотек для языков программирования. Владеет навыками по обработке и анализу научно-технической информации и результатов исследований Владеет знаниями об основных этапах регистрации прав на объекты интеллектуальной собственности. |
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 | 5 | 4 | ПК-1, ПК-2 | Л3.1, Л3.2, Л1.1, Л1.2, Л2.1 |
| 1.2. | Аппаратно-программный комплекс «ЕОСкан» для оперативного приема данных, передаваемых с космических платформ Terra и Aqua. | Практические | 5 | 8 | ПК-1 | Л3.1, Л3.2, Л1.1, Л2.1 |
| 1.3. | Платформы NOAA, Terra, Aqua, Aura, SPOT: краткая характеристика съемочной аппаратуры, зона обзора и частота покрытия. Основные решаемые задачи. | Сам. работа | 5 | 14 | ПК-1, ПК-2 | Л3.1, Л3.2, Л1.1, Л1.2, Л2.1 |
| Раздел 2. Взаимодействие электромагнитного излучения с атмосферой и подстилающей поверхностью Земли | ||||||
| 2.1. | Солнечное излучение в атмосфере Земли. Характеристики поля излучения. Основные механизмы взаимодействия излучения с веществом: поглощение и рассеяние излучения макроскопическими частицами. Закон Бугера. Перенос оптического излучения в атмосфере: дифференциальная и интегральная формы. Отражение излучения от подстилающей поверхности (ПП): основные типы отражения. Количественные характеристики, описывающие отражение от подстилающих поверхностей: двунаправленные коэффициенты спектральной яркости (ДКСЯ), плоское и сферическое альбедо. Показание спутникового прибора. | Лекции | 5 | 6 | ПК-1, ПК-2 | Л3.1, Л3.2, Л1.1, Л1.2, Л2.1 |
| 2.2. | Моделирование показания спутникового прибора. Исследование чувствительности отклика в каналах прибора к изменениям параметров системы «атмосфера-подстилающая поверхность». | Практические | 5 | 8 | ПК-1, ПК-2, ПК-6 | Л3.1, Л3.2, Л1.1 |
| 2.3. | Решение уравнения переноса оптического излучения в плоско-параллельной атмосфере в приближении однократного рассеяния. Модели ДКСЯ. Взаимодействие излучения с системой «атмосфера – океан». | Сам. работа | 5 | 12 | ПК-1, ПК-2, ПК-6 | Л3.1, Л3.2, Л1.1, Л1.2 |
| 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 дистанционного зондирования Земли из космоса. Векторы измеряемых величин и состояния системы, модель измерения. Основные подходы решения обратных некорректных задач. Регрессионный метод восстановления характеристик системы «атмосфера-подстилающая поверхность» по данным спутниковых приборов: достоинства и недостатки метода. Алгоритм восстановления аэрозольной оптической толщины, определения термальных аномалий по данным MODIS. | Лекции | 5 | 4 | ПК-1, ПК-2 | Л3.1, Л3.2, Л1.1, Л1.2, Л2.1 |
| 3.2. | Тематическая интерпретация данных дистанционного зондирования с использованием нейронных сетей. | Практические | 5 | 8 | ПК-1, ПК-2, ПК-6 | Л3.1, Л3.2, Л1.1 |
| 3.3. | Алгоритм восстановления двунаправленного коэффициента спектральной яркости по данным MODIS. Основные элементы алгоритма восстановления характеристик атмосферы по данным зондировочного комплекса AIRS/VisNIR/AMSU. Последовательность обработки данных приборов AIRS, VisNIR, AMSU. Продукты, создаваемые по данным зондировочного комплекса AIRS/Vis/AMSU. | Сам. работа | 5 | 20 | ПК-1, ПК-2, ПК-6 | Л3.1, Л3.2, Л1.1, Л1.2, Л2.1 |
| Раздел 4. Технологии оперативного регионального спутникового мониторинга | ||||||
| 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 программы EOS и NPP. Примеры использования оперативных данных дистанционного зондирования. | Лекции | 5 | 4 | ПК-1, ПК-2 | Л3.1, Л3.2, Л1.1, Л1.2 |
| 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. | Сам. работа | 5 | 20 | ПК-1, ПК-2, ПК-6 | Л3.1, Л3.2, Л1.1, Л1.2 |
5. Фонд оценочных средств
| 5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины |
| 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 для проведения текущего контроля (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 для проведения промежуточной аттестации |
| 1. Дистанционное зондирование Земли из космоса при помощи элек- тромагнитного 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. 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 | elibrary.asu.ru |
| Л1.2 | В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын | Общая и экологическая геофизика: учебник | Москва : Физматлит (ЭБС "Лань"), 2005 | e.lanbook.com |
| 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 | elibrary.asu.ru |
| 6.1.3. Дополнительные источники | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л3.1 | Лагутин А.А., Суторихин И.А., Синицин В.В., Жуков А.П., Шмаков И.А. | Использование данных MODIS для мониторинга крупных промышленных центров юга Западной Сибири: | Барнаул: Изд-во АлтГУ, 2010 | |
| Л3.2 | Лагутин А.А., Колобов А.Е., Шмаков И.А. и др. | Технологии мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в УГОЧС и ПБ в Алтайском крае: | Барнаул: Изд-во АлтГУ, 2011 | |
| 6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
| Название | Эл. адрес | |||
| Э1 | ЭБС "АлтГУ" (http://elibrary.asu.ru) | |||
| Э2 | ЭБС "Лань" (http://e.lanbook.com) | |||
| Э3 | Физические основы зондирования Земли из космоса, автор Лагутин А.А. | portal.edu.asu.ru | ||
| 6.3. Перечень программного обеспечения | ||||
| Пакет офисых приложений MS Office или аналоги Программный комплекс 6Sv ГИС GRASS scanreceiver51 scanviewer mapinfo Microsoft Windows 7-Zip AcrobatReaderMicrosoft Office 2010 (Office 2010 Professional, № 4065231 от 08.12.2010), (бессрочно); Microsoft Windows 7 (Windows 7 Professional, № 61834699 от 22.04.2013), (бессрочно); Chrome (http://www.chromium.org/chromium-os/licenses), (бессрочно); 7-Zip (http://www.7-zip.org/license.txt), (бессрочно); AcrobatReader (http://wwwimages.adobe.com/content/dam/Adobe/en/legal/servicetou/Acrobat_com_Additional_TOU-en_US-20140618_1200.pdf), (бессрочно); ASTRA LINUX SPECIAL EDITION (https://astralinux.ru/products/astra-linux-special-edition/), (бессрочно); LibreOffice (https://ru.libreoffice.org/), (бессрочно); Веб-браузер Chromium (https://www.chromium.org/Home/), (бессрочно); Антивирус Касперский (https://www.kaspersky.ru/), (до 23 июня 2024); Архиватор Ark (https://apps.kde.org/ark/), (бессрочно); Okular (https://okular.kde.org/ru/download/), (бессрочно); Редактор изображений Gimp (https://www.gimp.org/), (бессрочно) | ||||
| 6.4. Перечень информационных справочных систем | ||||
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" |
8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины
| см. ФОС в приложении |