ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 4, с. 62-73
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ О ЗЕМЛЕ
УДК 551.46.08
ИНДЕКС ЦВЕТА В СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ЧАСТИ ЧЕРНОГО МОРЯ
ПО ДАННЫМ СКАНЕРА MODIS
© 2007 г. В. М. Кушнир*, С. В. Станичный
Морской гидрофизический институт НАН Украины, Севастополь *E-mail: kushnir@alpha.mhi.iuf.net; kushnir@sevinter.net Поступила в редакцию 30.10.2006 г.
Рассмотрен метод вычисления индекса цвета по данным измерений восходящего излучения морской поверхности в северо-западной части Черного моря, выполненных цветовым сканером MODIS с пространственным разрешением 500 м 9 мая 2004 г в 08.15 по Гринвичу. Расчеты выполнены на основе обработки сигналов видимой области спектра на длинах волн 469 и 555 нм, а также ИК-области на длинах волн 1640 и 2130 нм. Пространственная структура индекса цвета характеризуется значительной неоднородностью: в восточной части района преобладают воды с относительно высокой прозрачностью, в западной части прозрачность значительно ниже из-за влияния стока рек Дунай, Днестр, Днепр и других. По данным определения индекса цвета вычислены пространственные распределения концентрации хлорофилла и глубины видимости белого диска.
ВВЕДЕНИЕ
Многочисленные спутниковые измерения восходящего от морской поверхности излучения цветовыми сканерами SeaWiFS (1994); MODIS (1998); MERIS (1998) и другими дали огромные объемы информации об оптико-биологических параметрах приповерхностных слоев водной среды. Главным образом, это данные о пространственной структуре хлорофилла, минеральной взвеси, пленок поверхностно-активных веществ. Вместе с тем такие измерения показали сложность пространственно-временной структуры измеряемых сигналов [1-13]. Наиболее сложной и изменчивой пространственно-временная структура спутниковых данных оказалась в прибрежных зонах с высоким насыщением промышленными и сельскохозяйственными производствами, в устьях рек с выносом больших объемов минеральной взвеси, вблизи больших мегаполисов. Это объясняется как естественными причинами, так и значительной антропогенной нагрузкой на прибрежные акватории, которая существенно возросла за последние декады вследствие увеличения объемов строительных работ и производственной деятельности.
Естественные причины сложной пространственно-временной структуры оптических характеристик прибрежных вод определяются как физическими явлениями различной природы, так и биологическими процессами развития и трансформации планктонных сообществ [14-17]. Совокупность всех этих антропогенных и естественных физико-биологических процессов проявляется в структуре оптических параметров приповерх-
ностного слоя моря в виде восходящего излучения с различными длинами волн.
При дистанционном изучении оптических характеристик морской поверхности одним из наиболее информативных параметров является индекс цвета, который определяется как комбинация данных оптических каналов с различными длинами волн [18, 19]. Одна из таких комбинаций представляет собой отношение нормализованной яркости Ьт(Х) в двух спектральных участках, т.е.
Кп(КЛ2 ) = ) / Ь„п(к2 ). (1)
При вычислении индекса цвета 1^,п(Х1, происходит компенсация мультипликативных погрешностей измерения и в значительной степени ослабляется влияние таких факторов, как высота Солнца и угол визирования бортового спектрофотометра, освещенность морской поверхности, цвет неба. Эти особенности индекса цвета являются принципиальной предпосылкой его использования для определения многих параметров, характеризующих качество водной среды.
Обычно при вычислении индекса цвета используют такие длины волн, комбинация которых соответствует максимальным контрастам оптических характеристик. Эти контрасты отражают динамику водной среды, поскольку, как правило, оптически-активные примеси соответствуют условиям консервативности, т.е. характерные масштабы их переноса и диффузии существенно меньше масштабов, которые характеризуют фотораспад, оседание мелкодиспесной взвеси, химические превращения и т.п.
К числу основных причин формирования оптических неоднородностей относится пространствен-
ная структура показателей поглощения (основной фактор) и рассеяния света назад [19]. Наибольшие контрасты этих параметров соответствуют длинам волн А,х = 440.. .490 нм и Х2 = 540.. .560 нм, так как первый диапазон соответствует максимуму показателя поглощения света хлорофиллом, второй -его минимуму. Спектральная зависимость показателя рассеяния назад обычно имеет вид Х-д, где показатель q изменяется от 4.3 для чистой воды до 0.4.2.2 для условий высокого содержания минеральной или органической взвеси.
Индекс цвета может быть использован в прибрежных водах как один из высокоинформативных параметров. Это обусловлено тем, что его величина связана с такими характеристиками водной среды, как концентрация кремния и хлорофилла С (этой проблеме посвящено большое количество исследований и имеется множество функциональных зависимостей С = /([„„), [20]), соленость, цвет воды, глубина видимости стандартного белого диска, показатель ослабления излучения в приповерхностном слое и другие. Соответствующие эмпирические соотношения получены по результатам судовых измерений индекса цвета в различных районах Мирового океана. В значительной степени эти данные систематизированы в [19, 21, 22].
Отметим также возможности использования индекса цвета, измеренного с достаточно высоким пространственным разрешением, для обнаружения нефтяных пленок или других поверхностно-активных веществ на морской поверхности. Эти возможности определяются тем, что яркость излучения, выходящего из воды в атмосферу, в значительной степени зависит от коэффициента пропускания восходящего диффузного излучения поверхностью и от показателя преломления. Пленки поверхностно-активных веществ в значительной степени влияют на эти параметры. Кроме этого, принимаемые интенсивность и спектральный состав оптического сигнала зависят также от коэффициента отражения морской поверхностью, который резко изменяется при наличии пленки.
Вычислению характеристик восходящего излучения морской поверхности Ьм,„(к) посвящено большое число исследований, в которых использованы различные методы учета влияния атмосферы на показания бортовых спектрофотометров [23-25]. Тем не менее изучение прибрежных вод с высоким содержанием примесей связано с известной проблемой. Она заключается в том, что обычно для вычисления яркости ЬМ,(Х) используется свойство чистой воды - практически полное поглощение излучения в красной и ближней инфракрасной (ИК) частях спектра, начиная с длин волн 670.700 нм, и поэтому отсутствие восходящего излучения в этой части спектра. В при-
брежных водах с высоким содержанием различных примесей эта закономерность нарушается и здесь Lw(k > 670 нм) Ф 0. В результате вычисленные величины Lwn(k) в видимой части спектра существенно занижены, а в некоторых случаях появляются области с отрицательными значениями Lwn(A), что не имеет физического смысла [26, 27].
В связи с этим для обработки данных цветовых сканеров в таких районах применяют другие методы. Авторы [28] предложили классифицировать пикселы изображения по форме и амплитуде спектров и на этой основе заменить наблюдаемые спектры их средними величинами соответствующих классов. Средние спектры используются как многомерные трассеры динамики водной среды. Таким методом удалось определить характеристики распространения шельфовых вод в зоне материкового склона в восточной части Черного моря, а также параметры нестационарных апвеллингов у побережья Кавказа.
Другой известный подход к обработке данных цветовых сканеров основан на оценках отношения I(X1, А2 сигналов бортового спектрофотометра для длин волн 450 и 520 нм, на которых наблюдаются наибольшие контрасты оптических величин [29]. Этим методом были выявлены слабоконтрастные неоднородности гидрооптических характеристик, которые практически не проявлялись на исходных изображениях. Такая оценка - некоторый аналог индекса цвета, но в общем случае не соответствует его действительной величине.
Таким образом, при дистанционном зондировании (ДЗ) оптических характеристик морской поверхности прибрежных районов, и в том числе прибрежных и шельфовых районов Черного моря, в качестве информативного параметра целесообразно использовать индекс цвета. Это определяет такие задачи настоящей работы, как:
1) обоснование методов расчета индекса цвета для северо-западной части Черного моря на основе данных измерений восходящего излучения морской поверхности цветовыми сканерами MODIS;
2) определение структурных особенностей индекса цвета в северо-западной части Черного моря и их связи с концентрацией хлорофилла и оптическими параметрами. Сопоставление данных ДЗ и результатов непосредственных (контактных) измерений.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В качестве исходных данных были использованы результаты спутниковых измерений, яркости Lt(A), Вт • м-2 мкм-1 ср-1, выполненные цветовым сканером MODIS с пространственным разрешением 500 м 9 мая 2004 г в 08.15 GMT. На рис. 1 показаны снимки северо-западной части Черного моря, полученные по данным непосредственных из-
469 нм 555 нм
Рис. 1. Снимки морской поверхности в северо-западной части Черного моря в видимой части спектра (489 и 555 нм, верхний ряд, слева направо) и в ИК-области (1240 и 2130 нм, нижний ряд, слева направо).
мерений бортовым спектрофотометром в различных участках видимого и ИК-спектров. Был также использован снимок для длины волны 1640 нм.
На снимках, соответствующих длинам волн 469 и 555 нм, отчетливо видны неоднородности оптических характеристик вдоль северо-западного берега Черного моря и в меньшей степени у побережья Крыма. В ИК-области спектра эти неоднородности локализованы в устье р. Дунай, причем с увеличением длины волны от 1240 до 2130 нм их контрасты уменьшаются.
Рассмотрим возможности определения индекса цвета на основе этих измерений. С этой целью вначале определим структуру оптических характеристик на двух разрезах в указанном районе Черного моря. Положение этих разрезов показано на рис. 2. Сигналы бортового спектрофотометра цветового сканера Ьх
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.