Метод главных компонент в задаче сжатия измерений спутниковых гиперспектральных ИК-зондировщиков

Рассматривается применение алгоритма метода главных компонент (МГК) в задаче сжатия спектров уходящего теплового ИК-излучения – измерений гиперспектрального ИК-зондировщика ИКФС-ГС, планируемого к установке на перспективных геостационарных метеоспутниках серии «Электро-М». 

Объем данных ИКФС-ГС за один час съемки будет составлять примерно 14,4 Гбайт с учетом следующих проектных характеристик аппаратуры: регистрация спектров в 2-х диапазонах (680 - 1210 см^-1 и 1600 – 2250 см^-1), спектральное разрешение 0,625 см^-1, область съемки 640 х 640 км², пространственное разрешение 4 км в надире, около 6,5 млн спектров по 1888 отсчетов, 10 бит на один спектральный отсчет. Вследствие большого объема необходимо сжатие спутниковой информации. Кроме того, в соответствии с рекомендациями ВМО измерения указанного состава считаются ключевыми в создаваемой Интегрированной глобальной системе наблюдений (WIGOS) и должны распространяться пользователям в терминах главных компонент (ГК).

Ввиду отсутствия фактических спутниковых измерений ИКФС-ГС и частичного подобия характеристик аппаратуры ИКФС-ГС и ИКФС-2 отработка алгоритма сжатия выполнялась на имитационных данных - измерениях ИК-спектров  ИК-зондировщиками ИКФС-2 (диапазон 660 – 2000 см^-1, 2700 спектральных отсчетов), установленными на полярно-орбитальных метеоспутниках «Метеор-М» № 2 и № 2-4. Предлагаемый алгоритм реализует разложение каждого ИК-спектра по базису обобщенных эмпирических ортогональных функций (ЭОФ), который формируется из «старших» собственных векторов выборочной ковариационной матрицы, построенной по результатам измерений и нормированной на ковариационную матрицу шума [1, 2].

Для численных экспериментов по сжатию сформированы различные базисы ЭОФ: по полусуточным сбросам файлов с данными ИКФС-2 за отдельные сроки 2024г.; по «годовой» выборке, включающей файлы измерений за 25 число каждого месяца 2022 г. (объем примерно 10⁴ и 10⁶ спектров соответственно). Алгоритм сжатия применялся к данным в трех диапазонах (660-765, 765-1400 и 1400-2000 см^-1) и к полному спектру. Показано,  что аппроксимация спектров с погрешностью, не превышающей инструментальный шум, достигается разложением по 20-30 (первая полоса), 30-40 (вторая и третья полосы) и 30-50 (полный спектр) ЭОФ в зависимости от сформированного ортогонального базиса. Тем самым, подтверждена эффективность созданного алгоритма сжатия – для восстановления (без заметной потери информативности) и распространения пользователям измеренных ИК-спектров достаточно определять не более 50 ГК.

1. Успенский А.Б. и др. Применение метода главных компонент для анализа ИК-спектров высокого разрешения, измеренных со спутников - Исслед. Земли из космоса, 2003. N 3, C. 26-33.

2. Козлов Д. А. и др. Оценка ковариационной матрицы шума в измерениях бортового инфракрасного фурье-спектрометра ИКФС-2. - Исслед. Земли из космоса, 2022, № 1, С. 53-67.