Radiómetro avanzado de muy alta resolución
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Una imagen de las temperaturas globales de la superficie del mar obtenida del satélite NOAA / AVHRR

El radiómetro avanzado de muy alta resolución (AVHRR) es un sensor espacial que mide la reflectancia de la Tierra en cinco bandas espectrales que son relativamente anchas para los estándares actuales. Los instrumentos AVHRR son o han sido transportados por la familia de plataformas de órbita polar ( POES ) de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA ) y los satélites europeos MetOp . El instrumento escanea varios canales; dos se centran en las regiones roja (0,6 micrómetros) e infrarrojo cercano (0,9 micrómetros), una tercera se sitúa alrededor de 3,5 micrómetros y otras dos en la radiación térmica emitida por el planeta, alrededor de 11 y 12 micrómetros. [1]

El primer instrumento AVHRR fue un radiómetro de cuatro canales . La última versión, AVHRR / 3, llevada por primera vez en NOAA-15 lanzada en mayo de 1998, adquiere datos en seis canales. El AVHRR ha sido reemplazado por el Visible Infrared Imaging Radiometer Suite , transportado en la nave espacial Joint Polar Satellite System .

Operación

NOAA tiene al menos dos orbitales polaressatélites meteorológicos en órbita en todo momento, con un satélite cruzando el ecuador temprano en la mañana y temprano en la noche y el otro cruzando el ecuador por la tarde y al final de la noche. El sensor principal a bordo de ambos satélites es el instrumento AVHRR. Los datos de los satélites matutinos se utilizan con mayor frecuencia para estudios terrestres, mientras que los datos de ambos satélites se utilizan para estudios de la atmósfera y los océanos. Juntos proporcionan una cobertura global dos veces al día y garantizan que los datos de cualquier región de la tierra no tengan más de seis horas de antigüedad. El ancho de la franja, el ancho del área en la superficie de la Tierra que el satélite puede "ver", es de aproximadamente 2.500 kilómetros (~ 1.540 millas). Los satélites orbitan entre 833 u 870 kilómetros (+/− 19 kilómetros, 516–541 millas) sobre la superficie de la Tierra. [2]

La resolución terrestre más alta que se puede obtener de los instrumentos AVHRR actuales es de 1,1 kilómetros (0,68 millas) por píxel en el nadir .

Los datos AVHRR se han recopilado continuamente desde 1981. [2]

Aplicaciones

El propósito principal de estos instrumentos es monitorear las nubes y medir la emisión térmica de la Tierra. Sin embargo, estos sensores han demostrado ser útiles para otras aplicaciones, incluida la vigilancia de superficies terrestres, el estado de los océanos, aerosoles, etc. Los datos AVHRR son particularmente relevantes para estudiar el cambio climático y la degradación ambiental debido a los registros comparativamente largos de datos ya acumulados. (más de 20 años). La principal dificultad asociada con estas investigaciones es tratar adecuadamente las muchas limitaciones de estos instrumentos, especialmente en el período inicial (calibración del sensor, deriva orbital, muestreo espectral y direccional limitado, etc.).

El instrumento AVHRR también vuela en la serie de satélites MetOp . Los tres satélites MetOp previstos forman parte del Sistema Polar EUMETSAT (EPS) gestionado por EUMETSAT .

Calibración y validación

Las aplicaciones de detección remota del sensor AVHRR se basan en técnicas de validación (emparejamiento) de observaciones terrestres y satélites coubicadas. Alternativamente, se realizan cálculos de transferencia radiativa. Existen códigos especializados que permiten la simulación de las radiancias y temperaturas de brillo observables del AVHRR en los canales del infrarrojo cercano y del infrarrojo. [3] [4]

Calibración previa al lanzamiento de canales visibles (Ch. 1 y 2)

Antes del lanzamiento, los canales visibles (Ch. 1 y 2) de los sensores AVHRR son calibrados por el fabricante del instrumento, ITT, División Aeroespacial / Comunicaciones, y son trazables a los estándares NIST . La relación de calibración entre la respuesta de conteo digital electrónico (C) del sensor y el albedo (A) del objetivo de calibración se regresa linealmente: [2]

A = S * C + I

donde S e I son la pendiente y la intersección (respectivamente) de la regresión de calibración [NOAA KLM]. Sin embargo, la calibración previa al lanzamiento de alta precisión se degradará durante el lanzamiento y el tránsito a la órbita, así como durante la vida operativa del instrumento [Molling et al., 2010]. Halthore y col. [2008] observe que la degradación del sensor es causada principalmente por ciclos térmicos, desgasificación en los filtros, daño por radiación de mayor energía (como ultravioleta (UV)) y condensación de gases desgasificados en superficies sensibles.

Una falla importante de diseño de los instrumentos AVHRR es que carecen de la capacidad para realizar calibraciones a bordo precisas una vez en órbita [NOAA KLM]. Por lo tanto, se deben realizar actividades de calibración en órbita posteriores al lanzamiento (conocidas como métodos de calibración indirectos) para actualizar y garantizar la precisión de las radiancias recuperadas y los productos subsiguientes derivados de estos valores [Xiong et al., 2010]. Se han realizado numerosos estudios para actualizar los coeficientes de calibración y proporcionar recuperaciones más precisas en comparación con el uso de la calibración previa al lanzamiento.

Calibración absoluta de sensores individuales / pocos en órbita

Rao y Chen

Rao y Chen [1995] utilizan el desierto de Libia como un objetivo de calibración radiométricamente estable para derivar tasas de degradación anual relativa para los canales 1 y 2 para los sensores AVHRR a bordo de los satélites NOAA -7, -9 y -11. Además, con una campaña de campo de aviones sobre el sitio del desierto de White Sands en Nuevo México, EE. UU. [Véase Smith et al., 1988], se transfirió una calibración absoluta para NOAA-9 desde un espectrómetro bien calibrado a bordo de un avión U-2 que volaba a una altitud de ~ 18 km en una trayectoria congruente con el satélite NOAA-9 de arriba. Después de ser corregido por la degradación relativa, la calibración absoluta de NOAA-9 se pasa a NOAA -7 y -11 a través de una relación lineal utilizando observaciones del desierto de Libia que están restringidas a geometrías de visualización similares, así como fechas en el mismo mes calendario [ Rao y Chen, 1995],y cualquier degradación del sensor se corrige ajustando la pendiente (en función de los días posteriores al lanzamiento) entre el albedo y la señal de conteo digital registrada [Rao y Chen, 1999].

Loeb

En otro método similar que utiliza objetivos de superficie, Loeb [1997] utiliza superficies de hielo uniforme espacio-temporal en Groenlandia y la Antártida para producir curvas de calibración de reflectancia polinomial de segundo orden en función del ángulo cenital solar; Las reflectancias calibradas cercanas al nadir NOAA-9 se utilizan para generar las curvas que luego pueden derivar las calibraciones para otros AHVRR en órbita (por ejemplo, NOAA-11, -12 y -14).

Se encontró que la relación de los coeficientes de calibración derivados por Loeb [1997] y Rao y Chen [1995] son ​​independientes del ángulo cenital solar, lo que implica que las curvas de calibración derivadas de NOAA-9 proporcionan una relación precisa entre el ángulo cenital solar y reflectancia observada sobre Groenlandia y la Antártida.

Iwabuchi

Iwabuchi [2003] empleó un método para calibrar NOAA-11 y -14 que utiliza observaciones de reflectancia de nubes estratos y océanos de cielo despejado en una región del noroeste del Océano Pacífico y cálculos de transferencia radiativa de una atmósfera molecular teórica para calibrar AVHRR Ch. 1. Utilizando un mes de observaciones de cielo despejado sobre el océano, se hace una estimación mínima inicial de la pendiente de calibración. Luego se usa un método iterativo para lograr los valores óptimos de pendiente para Ch. 1 con correcciones de pendiente que se ajustan a las incertidumbres en la reflectancia del océano, el vapor de agua, el ozono y el ruido. Ch. 2 se calibra posteriormente con la condición de que el espesor óptico de la nube de estratos en ambos canales sea el mismo (espectralmente uniforme en el visible) si sus calibraciones son correctas [Iwabuchi, 2003].

Vermote y Saleous

Un método de calibración más actual para AVHRR utiliza las capacidades de calibración en órbita de los canales VIS / IR de MODIS . Vermote y Saleous [2006] presentan una metodología que utiliza MODIS para caracterizar el BRDF de un sitio desértico invariante. Debido a las diferencias en las bandas espectrales utilizadas para los canales de los instrumentos, se derivaron ecuaciones de traducción espectral para transferir con precisión la calibración teniendo en cuenta estas diferencias. Finalmente, la relación de AVHRR observada con respecto a la modelada a partir de la observación MODIS se utiliza para determinar la degradación del sensor y ajustar la calibración en consecuencia.

Otros

Los métodos para extender la calibración y la continuidad del registro también utilizan actividades de calibración similares [Heidinger et al., 2010].

Calibración a largo plazo y continuidad de registros

En la discusión hasta ahora, se han propuesto métodos que pueden calibrar individualmente o están limitados a unos pocos sensores AVHRR. Sin embargo, un desafío importante desde el punto de vista climático es la necesidad de una continuidad de registros que abarque más de 30 años de tres generaciones de instrumentos AVHRR, así como sensores más contemporáneos como MODIS y VIIRS . Pueden existir varios artefactos en la calibración AVHRR nominal, e incluso en calibraciones actualizadas, que provoquen una discontinuidad en el registro de radiancia a largo plazo construido a partir de múltiples satélites [Cao et al., 2008].

Método del Proyecto Internacional de Climatología de Nube por Satélite (ISCCP)

Brest y Rossow [1992], y la metodología actualizada [Brest et al., 1997], presentan un método robusto para el monitoreo de calibración de sensores individuales y la normalización de todos los sensores a un estándar común. El método del Proyecto Internacional de Climatología de Nubes por Satélite (ISCCP) comienza con la detección de nubes y las correcciones de ozono, la dispersión de Rayleigh y las variaciones estacionales de la irradiancia para producir reflectancias de superficie. Luego, se producen histogramas mensuales de reflectancia de superficie para varios tipos de superficies, y luego se aplican varios límites de histograma como un filtro a las observaciones originales del sensor y finalmente se agregan para producir una reflectancia de superficie global libre de nubes.

Después del filtrado, los mapas globales se segregan en SUPERFICIE media mensual, dos SUPERFICIE quincenales y mapas de reflectancia TOTAL media. Los mapas de reflectancia de SUPERFICIE media mensual se utilizan para detectar tendencias a largo plazo en la calibración. Los mapas de SUPERFICIE quincenales se comparan entre sí y se utilizan para detectar cambios a corto plazo en la calibración.

Finalmente, los mapas TOTAL se utilizan para detectar y evaluar sesgos en la metodología de procesamiento. También se examinan los histogramas objetivo, ya que los cambios en las reflectancias de modo y en la población son probablemente el resultado de cambios en la calibración.

Continuidad de registros a largo plazo

La continuidad del registro a largo plazo se logra mediante la normalización entre dos sensores. En primer lugar, se procesan las observaciones de la superposición del período de tiempo operativo de dos sensores. A continuación, los dos mapas de SUPERFICIE globales se comparan mediante un diagrama de dispersión. Además, las observaciones se corrigen por cambios en el ángulo cenital solar causados ​​por la deriva orbital. En última instancia, se ajusta una línea para determinar la desviación general a largo plazo en la calibración y, después de que se corrige la desviación de un sensor, se realiza la normalización en las observaciones que ocurren durante el mismo período operativo [Brest et al., 1997].

Calibración con el espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada

Otro método reciente para la calibración absoluta del registro AHVRR hace uso del MODIS contemporáneosensor a bordo de los satélites TERRA y AQUA de la NASA. El instrumento MODIS tiene una alta precisión de calibración y puede rastrear sus propios cambios radiométricos debido a la inclusión de un sistema de calibración integrado para la región espectral VIS / NIR [MCST]. El siguiente método utiliza la alta precisión de MODIS para calibrar absolutamente los AVHRR a través de pasos elevados del nadir (SNO) simultáneos de los pares de satélites MODIS / AVHRR y AVHRR / AVHRR, así como reflectancias de superficie caracterizadas por MODIS para un objetivo del desierto de Libia y Dome-C en la Antártida [Heidinger et al., 2010]. En última instancia, cada evento de calibración individual disponible (MODIS / AVHRR SNO, Dome C, Desierto de Libia o AVHRR / AVHRR SNO) se utiliza para proporcionar una serie de tiempo de pendiente de calibración para un sensor AVHRR determinado. Heidinger y col. [2010] utiliza un polinomio de segundo orden a partir de un ajuste por mínimos cuadrados para determinar la serie de tiempo.

El primer paso consiste en utilizar un modelo de transferencia radiativa.que convertirá las escenas MODIS observadas en aquellas que vería un AVHRR perfectamente calibrado. Para las ocurrencias de MODIS / AVHRR SNO, se determinó que la relación de las radiancias de AVHRR a MODIS tanto en Ch1 como en Ch2 está bien modelada por un polinomio de segundo orden de la radio de reflectancias MODIS en los canales 17 y 18. Los canales 17 y 18 están ubicados en una región espectral (0,94 mm) sensible al vapor de agua atmosférico, una cantidad que afecta la calibración precisa de AVHRR Ch. 2. Usando la relación de Ch17 a Ch 18, se obtiene una estimación precisa del agua precipitable total (TPW) para aumentar aún más la precisión de las calibraciones de MODIS a AVHRR SNO. Los sitios de calibración del Desierto de Libia y Dome-C se utilizan cuando no se producen SNO MODIS / AVHRR. Aquí,la relación de reflectancias de AVHRR a MODIS se modela como un polinomio de tercer orden utilizando el logaritmo natural de TWP del reanálisis de NCEP. Con estos dos métodos, se generan pendientes de calibración mensuales con un ajuste lineal forzado a través del origen de las reflectancias MODIS ajustadas frente a los recuentos de AVHRR.

Para extender la referencia MODIS hacia atrás para AVHRR antes de la era MODIS (antes de 2000), Heidinger et al. [2010] utiliza los objetivos terrestres estables del Domo C en la Antártida y el desierto de Libia. Se determinan las reflectancias medias nadir de MODIS sobre el objetivo y se trazan frente al ángulo cenital solar. Los recuentos de observaciones AVHRR en un ángulo cenital solar dado y la reflectancia MODIS correspondiente, corregida para TWP, se utilizan para determinar qué valor AVHRR se obtendría siempre que tuviera la calibración MODIS. Ahora se calcula la pendiente de calibración.

Calibración mediante SNO AVHRR / AVHRR directo

Un último método utilizado por Heidinger et al. [2010] para extender la calibración MODIS a AVHRR que operaban fuera de la era MODIS es a través de SNO AVHRR / AVHRR directo. Aquí, se grafican los recuentos de AVHRR y se calcula una regresión forzada a través del origen. Esta regresión se utiliza para transferir la calibración precisa de las reflectancias de un AVHRR a los recuentos de un AVHRR no calibrado y producir pendientes de calibración adecuadas. Estos SNO AVHRR / AVHRR no proporcionan un punto de calibración absoluto por sí mismos; más bien actúan como anclajes para la calibración relativa entre los AVHRR que se pueden utilizar para transferir la calibración MODIS final.

Sistema de próxima generación

La experiencia operativa con el sensor MODIS [5] a bordo de Terra y Aqua de la NASA condujo al desarrollo de la continuación de AVHRR, VIIRS . [6] VIIRS está operando actualmente a bordo de los satélites Suomi NPP y NOAA-20 . [7]

Fechas de lanzamiento y servicio

Nombre del satéliteFecha de lanzamientoInicio del servicioFin del servicio
TIROS-N ['tairəus]

[Satélite de observación de televisión e infrarrojos]

13 de octubre de 197819 de octubre de 197830 de enero de 1980
NOAA-627 de junio de 197927 de junio de 197916 de noviembre de 1986
NOAA-723 de junio de 198124 de agosto de 19817 de junio de 1986
NOAA-828 de marzo de 19833 de mayo de 198331 de octubre de 1985
NOAA-912 de diciembre de 198425 de febrero de 198511 de mayo de 1994
NOAA-1017 de septiembre de 198617 de noviembre de 198617 de septiembre de 1991
NOAA-1124 de septiembre de 19888 de noviembre de 198813 de septiembre de 1994
NOAA-1213 de mayo de 199114 de mayo de 199115 de diciembre de 1994
NOAA-1430 de diciembre de 199430 de diciembre de 199423 de mayo de 2007
NOAA-1513 de mayo de 199813 de mayo de 1998Regalo
NOAA-1621 de septiembre de 200021 de septiembre de 20009 de junio de 2014
NOAA-1724 de junio de 200224 de junio de 200210 de abril de 2013
NOAA-1820 de mayo de 200530 de agosto de 2005regalo
NOAA-196 de febrero de 20092 de junio de 2009regalo
Metop-A [8]19 de octubre de 200620 de junio de 2007regalo
Metop-B [9]17 de septiembre de 201224 de abril de 2013regalo
Metop-C7 de noviembre de 20183 de julio de 2019regalo
TIROS / NOAA data del sitio web de USGS [10] y del sitio web de estado de POES de NOAA [11]

Referencias

  1. ^ Baum, Bryan A .; Wielicki, Bruce A. (1992). "Sobre la recuperación y análisis de nubes multinivel". NASA . Servidor de informes técnicos de la NASA: 12. hdl : 2060/19980008781 .
  2. ^ a b c Guía del usuario de NOAA KLM Guía oficial del usuario del satélite NOAA POES
  3. ^ RTTOV
  4. ^ Modelo de transferencia radiativa comunitaria
  5. ^ Sitio web de MODIS de la NASA Sitio web de MODIS de la NASA
  6. ^ Sitio web de la central nuclear Suomi de la NASA
  7. ^ Sitio web de la NASA JPSS
  8. ^ Anuncio de EUMETSAT de difusión de datos operativos Archivado el 4 de diciembre de 2008 en Wayback Machine.
  9. ^ Metop-B se hace cargo del servicio operativo principal: continuidad a largo plazo de los datos meteorológicos y climáticos vitales garantizados desde la órbita polar
  10. ^ Página AVHRR de observación y ciencia de los recursos terrestres del USGS Archivado el 9 de mayo de 2009 en la Wayback Machine.
  11. ^ Estado NOAA POES

Otras lecturas

  • Frey, C .; Kuenzer, C .; Dech, S. (2012). "Comparación cuantitativa del producto operativo NOAA AVHRR LST de DLR y el producto MODIS LST V005". Revista Internacional de Percepción Remota . 33 (22): 7165–7183. Código bibliográfico : 2012IJRS ... 33.7165F . doi : 10.1080 / 01431161.2012.699693 . S2CID  128981116 .
  • Brest, CL y WB Rossow. 1992. Calibración radiométrica y monitoreo de datos NOAA AVHRR para ISCCP. Revista Internacional de Percepción Remota. Vol. 13. págs. 235-273.
  • Brest, CL y col. 1997. Actualización de Radiance Calibrations para ISCCP. Revista de tecnología atmosférica y oceánica. Vol 14. págs. 1091-1109.
  • Cao, C. y col. 2008. Evaluación de la consistencia de la reflectancia AVHRR y MODIS L1B para generar registros de datos climáticos fundamentales. Revista de Investigación Geofísica. Vol. 113. D09114. doi: 10.1029 / 2007JD009363.
  • Halthore, R. et al. 2008. Papel de la absorción de aerosoles en la calibración de sensores satelitales. IEEE Cartas de geociencia y teledetección. Vol. 5. págs. 157-161.
  • Heidinger, AK y col. 2002. Uso del espectrómetro de imágenes de resolución moderada (MODIS) para calibrar canales de reflectancia de radiómetros avanzados de muy alta resolución. Revista de Investigación Geofísica. Vol. 107. doi: 10.1029 / 2001JD002035.
  • Heidinger, AK y col. 2010. Obtención de una calibración coherente entre sensores para el registro de datos de reflectancia solar AVHRR. Revista Internacional de Percepción Remota. Vol. 31. págs. 6493–6517.
  • Iwabuchi, H. 2003. Calibración de los canales del infrarrojo cercano y visible de los AVHRR NOAA-11 y NOAA-14 mediante el uso de reflejos de la atmósfera molecular y la nube de estratos. Revista Internacional de Percepción Remota. Vol. 24. págs. 5367–5378.
  • Loeb, NG 1997. Calibración en vuelo de bandas visibles e infrarrojas cercanas de NOAA AVHRR sobre Groenlandia y la Antártida. Revista Internacional de Percepción Remota. Vol. 18. págs. 477–490.
  • MCST. Documento de base teórica del algoritmo MODIS Nivel 1B, versión 3. Goddard Space Flight Center. Greenbelt, MD. Diciembre de 2005.
  • Molling, CC y col. 2010. Calibraciones para los canales 1 y 2 del AVHRR: revisión y camino hacia el consenso. Revista Internacional de Percepción Remota. Vol. 31. págs. 6519–6540.
  • Guía del usuario de NOAA KLM con suplemento NOAA-N, -N '. NOAA NESDIS NCDC. Asheville, Carolina del Norte. Febrero de 2009.
  • Rao, CRN y J. Chen. 1995. Enlaces de calibración entre satélites para los canales visible e infrarrojo cercano del radiómetro avanzado de muy alta resolución en las naves espaciales NOAA-7, -9 y -11. Revista Internacional de Percepción Remota. Vol. 16. págs. 1931-1942.
  • Rao, CRN y J. Chen. 1999. Calibración posterior al lanzamiento revisada de los canales visible e infrarrojo cercano del radiómetro avanzado de muy alta resolución en la nave espacial NOAA-14. Revista Internacional de Percepción Remota. Vol. 20. págs. 3485–3491.
  • Smith, GR y col. 1988. Calibración de los canales solares del NOAA-9 AVHRR usando mediciones de aeronaves de gran altitud. Revista de tecnología atmosférica y oceánica. Vol. 5. págs. 631–639.
  • Vermote, EF y NZ Saleous. 2006. Calibración de NOAA16 AVHRR sobre un sitio desértico usando datos MODIS. Teledetección del medio ambiente. Vol. 105. págs. 214–220.
  • Xiong, X. et al. 2010. Calibración en órbita y rendimiento de las bandas solares reflectantes Aqua MODIS. Transacciones IEEE sobre geociencias y teledetección. Vol. 48, págs. 535–546.

enlaces externos

  • ¿Qué es AVHRR? en el Atlas Nacional
  • Radiómetro avanzado de muy alta resolución en NOAA
  • Radiómetro avanzado de muy alta resolución en USGS
  • [1] en la NASA
  • [2] en la NASA
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