АВТОМАТИЧЕСКОЕ РАСПОЗНАВАНИЕ И ОКОНТУРИВАНИЕ ОБЛАСТЕЙ ЦВЕТЕНИЯ LEPIDODINIUM CHLOROPHORUM ПО ДАННЫМ СКАНИРУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ
© 2011 г. Е. А. Морозов1, 2*, О. Б. Анискина1, 2, Д. В. Поздняков1, 3, Л. Х. Петтерссон3, В. И. Сычев2, Х. Грассл4
Научный фонд "Международный центр по дистанционному зондированию и окружающей среде
им. Нансена", Санкт-Петербург 2Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург 3Центр по дистанционному зондированию и окружающей среде им. Нансена, Берген, Норвегия 4Метеорологический институт им. Макса Планка, Гамбург, Германия *E-mail: evgeny.morozov@niersc.spb.ru Поступила в редакцию 03.02.2010 г.
Для автоматического распознавания и оконтуривания областей цветения динофлагеллята Lepidod-inium chlorophorum разработаны два методологически независимых алгоритма, основанные на ней-ронно-сетевом методе и нечеткой логике ^-средних. Обучение нейронно-сетевого алгоритма и ва-лидация результатов применения обоих алгоритмов к данным спутникового датчика цвета океана MODIS/Aqua производились с использованием данных измерений in situ в водах Атлантического прибережья Франции. Выявленные локализации цветения указанной водоросли обоими алгоритмами оказались весьма близкими/перекрывающимися, что свидетельствует о возможности их ансамблевого применении. Разработанные алгоритмы не специфичны в отношении типа вод и могут быть применены к различным морским акваториям.
Ключевые слова: МОБК, Бискайский залив, нейронная сеть, цветение вредных водорослей, Гер1-dodinium еМогоркогыш
ВВЕДЕНИЕ
Из современных достижений спутниковой гидроэкологии можно выделить в той или иной мере успешное оперативное слежение за возникновением и пространственно-временной динамикой цветения фитопланктона-сообщества водных (по преимуществу автотрофных) микроорганизмов растительного происхождения. Само по себе — это, безусловно, важный этап в развитии дистанционного зондирования (ДЗ) Мирового Океана из космоса в силу нетривиальности этой задачи, учитывая все многообразие оптических свойств природных вод (Platt et al., 2008; Zibordi et al., 2009).
Однако в настоящее время все более настойчиво начинает выдвигаться задача по идентификации существующими спутниковыми датчиками цвета океана конкретной культуры (или комплекса культур) фитопланктона, обусловившей/обусловивших резкий рост биомассы наблюдаемого из космоса цветения (ICES-IOC Working Group, 2003).
Если для спутникового мониторинга зон цветения фитопланктона достаточно уметь реги-
стрировать лишь концентрацию хлорофилла-а (хл-а) — пигмента, универсально присутствующего в клетках всех без исключения автотрофных организмов на Земле и являющегося индикатором их биомассы, то решение идентификации типов фитопланктона оказывается существенно сложнее. В этом случае возникает необходимость в выделении в дистанционно-регистрируемом сигнале дополнительных индикаторов, однозначно характеризующих конкретный таксон. В качестве таковых могут выступать дополнительные к хл-а пигменты — другие хлорофиллы, а также каротинои-ды и билипротеины. Однако для выделения сигналов от них в общем сигнале, регистрируемом с орбиты, спектральное разрешение функционирующих в настоящее время датчиков цвета океана, информация с которых является общедоступной, оказывается явно недостаточным, — что существенно усложняет практическое решение этой проблемы.
Между тем из основных причин, по которым задача дистанционной идентификации видов фитопланктона является весьма важной в водной экологии, можно выделить весьма тревожный
феномен нарастающе-частых и прогрессирующе-обширных цветений так называемых вредных микроводорослей (harmful algal blooms — HABs) (ICES-IOC Working Group, 2003). При этом под вредностью водорослей понимается довольно широкий спектр их негативного воздействий на среду обитания и ее биоту, а по цепи трофических взаимодействий — и на более широкий круг объектов биосферы Земли, включая и человека. HABs могут выделять в окружающую водную среду токсины различного поражающего действия (нервно-паралитическго, диарического, амнези-ческого и др.) или, при их высокой концентрации, приводить к механическому гемолитическому поражению тканей, дисфункции дыхательных органов водных организмов и истощению запасов растворенного кислорода в воде (Hallegraeff et al., 1995). Даже этот далеко неполный перечень возможных поражающих эффектов свидетельствует о важности проблемы своевременной идентификации HABs и мониторинга их пространственно-временной динамики. Понятно, что спутниковый мониторинг HABs в принципе является наиболее предпочтительным способом достижения этой цели в силу своей оперативности и большого одновременного охвата территории зондируемых вод. И с этой точки зрения исследование возможностей идентификации HABs существующими спутниковыми системами регистрации цвета океана в сочетании с разработкой соответствующих методологических подходов представляет несомненный интерес (Cracknell et al., 2001; Babin et al., 2008).
Среди типичных представителей HABs обычно выделяют некоторые виды таких водорослей, как Diatoms, Prymnesiophytes, Raphidophytes, Cyano-bacterium и Dinoflagellates (Hallegraeff et al., 1995).
Однако такой динофлагеллят, как Lepidodinium chlorophorum (L. Morophorum), еще относительно недавно не упоминался в литературе как экологически вредная водоросль. Отчасти это объясняется тем, что L. chlorophorum была впервые описана лишь в 1996 г., а более корректное ее описание появилось всего несколько лет назад, в 2007 г. Выяснилось, что хотя L. chlorophorum не является токсической водорослью, массовое цветение этого вида планктона приводит, вследствие выделения значительного количества слизи, к аноксии вод и к гибели моллюсков.
Таким образом, районы массового развития L. chlorophorum должны рассматриваться как HABs, а их мониторинг важен как с точки зрения изучения водно-экологической динамики в районе цветения, так и с практической, связанной с состоянием/сохранением ресурсов морепродуктов.
В настоящем исследовании нами было разработано два типа алгоритмов для идентификации, районирования и отслеживания динамики зон
цветения L. chlorophorum с использованием спутникового сенсора MODIS/Aqua.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА LEPIDODINIUM CHLOROPHORUM
Фитопланктон L. chlorophorum — ярко-зеленые эндосимбионты филума Dinoflagellata, класса Dino-phyceae, отряда Gymnodinianceae, классификационная идентификация которых впервые была произведена Эльбрахтером и Шнепфом (Elbrachter, Schnepf, 1996), а затем скорректирована Хансеном, Ботесом и Де-Салесом (Hansen et al., 2007). Полагают, что L. chlorophorum эволюционно происходит из класса Prasinophytes отдела Chlorophyta — примитивных эукариотов — морских зеленых микроводорослей. Это родство, по-видимому, и обусловило наличие в клетках L. chlorophorum зеленых перидинин-содержащих пластидов с хло-рофильным комплексом хл-а и хлорофилл-b (хл-b) (Takishita et al., 2008). Содержание пигментов в клетках L. chlorophorum таково, что ее интегральный
удельный коэффициент поглощения, a*chl довольно высок [3.32 • 10-2 м2 мгхл-а-1] по сравнению, например, с некоторыми другими морскими водорослями — представителями филумов Dinophyta и
Haptophyta (Claquin et al., 2008). Сведения о спек*
тральных значениях a*chl, а также удельного коэффициента обратного рассеяния, b* по-видимому, в доступной/рецензируемой литературе отсутствуют.
В отличие от многих других представителей динофлагеллятов, которые образуют токсические цветения, имеют симбиотические отношения (в т.ч. с кораллами) и имеют гетеротрофный тип питания, L. chlorophorum преимущественно фото-троф (хотя и сохраняет способность к гетеротро-фии (Morden, Sherwood, 2002)) и вместо токсичных веществ выделяет в окружающую водную среду полисахариды в виде прозрачных коллоидных биополимеров, которые затем коагулируют с образованием TEPs (transparent exopolymeric particles). При этом пропорция выделяемого в водную среду углерода к органическому углероду, фото-синтезирумого клеткой L. Chlorophorum, может достигать ~71% (в то время как у других таксонов этот показатель варьирут в пределах ~7—30%). TEPs сложным образом вовлечены в биогеохимические процессы в морской среде (Passow, 2002a; Passow, 2002b), в том числе и в процессы седиментации клеток L. chlorophorum. Таким образом, время цветения L. chlorophorum, в особенности в условиях ветрового перемешивания, ощутимо сокращается. TEPs влияют на скорости выедания фитопланктона зоопланктоном, удерживают/концентрируют бактерии и вирусы, ухудшая тем самым патогенный фон в зоне цветения.
Поскольку у L. chlorophorum отношение Е/Ек (экспоненциально возрастающей освещенности к параметру светового насыщения) увеличивается с понижением температуры воды (Claquin et al., 2008), этот таксон обладает в холодных/прохладных водах повышенной устойчивостью к эффекту фотоингибирования первичной продуктивности, что объясняет его способность вегети-ровать в средних и нижних широтах, часто в зонах апвеллингов, в условиях высоких уровней инсоляции, особенно в летний период. Регулярные цветения L. chlorophorum отмечаются у побережья Южной Африки и Австралии, вдоль французского атлантического побережья и в Северном море (куда эта водоросль, по-видимому, заносится береговыми течениями), а также во многих других регионах Мирового Океана (Hansen et al., 2007; Elbrachter, 1998).
Не являясь токсигенной, L. chlorophorum, благодаря своей способности обильно выделять TEPs, образует в периоды своего массового развития, в зоне цветения, слизистые поля и скопления, которые вызывают аноксию, и, в особенности на мелководье, являются причиной многочисленных дисфункций у ракообразных и моллюсков как за счет дефицита растворенного кислорода, так и в результате обволакивания этих организмов.
В связи с этим как со стороны морских биологов/экологов, так и производителей морепродуктов усилилось внимание к феномену цветения L. chlorophorum, в том числе и в контексте организации мониторинга возникновения и пространственно-временной динамики этого явления.
МЕТОДОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ АЛГОРИТМОВ
Не с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.