ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН, Том 2, № 3, 2006, стр. 25-32
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 504.45.064.37:528.8
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВА ОПТИЧЕСКИХ ОБРАЗОВ ДЛЯ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННЫХ СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В ПРЕСНОВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ
© 2006 г. Б.Л. Сухорукое1, И.В. Новиков1, чл.-корр. РАН A.M. Никаноров1
Метод интерпретации дистанционной спектрометрической информации в пространстве оптических образов (ОО) использован для сравнения результатов съемок, выполненных в разные годы при исследовании экосистемы реки Дон, Цимлянского водохранилища и искусственных водных экосистем, созданных в устье реки Дон. По данным спектрометрических измерений в видимой области состояния экосистем реки Дон и Цимлянского водохранилища в целом сильно различаются, хотя для отдельных районов наблюдаются совпадения ОО этих водных объектов. По этим же данным возможно перенесение результатов, полученных в искусственных экосистемах, на естественные: в отдельных частях водохранилища зарегистрированы ОО, близкие к ОО мезокосмов, тогда как в речной экосистеме такие ОО обнаружены не были.
Дистанционная спектрометрическая информация позволяет решать задачи оценки состояния экосистем. Спектрометрическую информацию возможно использовать для построения биооптических моделей и определения концентрации видимых компонентов*, к которым относятся минеральные взвешенные и растворенные органические вещества, фитопланктон (мерологический подход). Возможен и холистический подход, при котором определяют интегральное состояние водных экосистем [1]. В последнем случае применительно к данным, получаемым дистанционно, удобно пользоваться пространством оптических образов (ПОО). Метод "пространства оптических образов" хорошо зарекомендовал себя для решения следующих практических задач:
-наблюдения за направленностью процессов, происходящих в экосистемах, сопровождающихся изменением их оптического образа;
-оперативных заключений (предварительных, на полуколичественном уровне) об экологическом состоянии водной экосистемы (по положению ОО в ПОО).
5 Институт водных проблем Российской академии наук, Южный отдел, Ростов-на-Дону.
* Видимыми компонентами называются компоненты водной экосистемы, изменяющие комплексный показатель преломления п = т + т' за счет изменяющейся действительной (поглощение) или мнимой (рассеяние) части.
Однако до настоящего времени данные дистанционной спектрометрии не нашли широкого распространения. Во-первых, на настоящем уровне развития технических средств дистанционных спектрометрических наблюдений качественная (с высоким спектральным разрешением и минимальными помехами) дистанционная информация может быть получена с борта летательных аппаратов - самолетов, вертолетов с высоты 50-70 м. Стоимость же аренды летательных средств в настоящее время весьма высока. Во-вторых, относительно дешевая спутниковая информация не обладает достаточным пространственным разрешением и не может быть использована для изучения относительно мелких объектов, в частности, рек, даже крупных. Эта информация не может быть получена при любых погодных условиях (облачность) и с требуемой частотой для любых территорий. Информация с высоким пространственным разрешением малодоступна и дорога. Кроме того, требуются специализированные комплексы программ и высококвалифицированные специалисты для дешифрирования этой информации.
В этой связи было предложено паллиативное решение проблемы: получать дистанционную спектрометрическую информацию (спектры коэффициентов яркости) для наиболее подверженных антропогенному воздействию участков водных экосистем, расположенных вблизи мегапо-
лисов, с мостов, в частности автомобильных, построенных в крупных городах через крупные реки. Используя такой подход, удалось получить первые практические результаты, в частности установить сезонную цикличность состояния водной экосистемы по оптическим показателям, а также цикличность процессов, происходящих в искусственных водных экосистемах - мезокос-мах. Однако при интерпретации дистанционных спектрометрических измерений наряду с получением положительных результатов возникли вопросы, требующие особого объяснения. В частности, было установлено, что траектории оптических образов естественных водных экосистем и мезокосмов находятся в различных областях пространства оптических образов [2], что свидетельствует о различии состояний изучаемых экосистем, несмотря на то, что эти искусственные экосистемы были образованы в одном и том же водном объекте, в частности р. Дон. Возникал вопрос о правомерности переноса результатов, получаемых в мезокосмах, на естественный водный объект - речную экосистему.
По терминологии метода ПОО, в многочисленных экспериментах на р. Дон не наблюдалось ОО в области с концентрацией минеральных взвешенных веществ Смв < 25 мг/дм3 при концентрации фитопланктона СФП < 25 мг/дм3, тогда как на искусственных водных экосистемах именно такие ОО и наблюдаются.
В настоящей работе приводятся данные, позволяющие объяснить имеющиеся расхождения и показать перспективность дистанционных методов при решении задач практической экологии применительно к поверхностным водам суши (ПВС).
ОПТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Основной измеряемый дистанционно показатель, по которому можно оценивать параметры зондируемого объекта, - яркость восходящего от воды излучения. Но так как на эту величину сильно влияют и погодные условия, и освещенность, то в качестве основной измеряемой величины был выбран коэффициент яркости (КЯ), индифферентный (во всяком случае по определению) к изменению перечисленных выше условии.
Коэффициент яркости восходящего от воды излучения - важнейшая характеристика, на измерении которой основаны методы дистанционного зондирования атмосферы, облаков и водных объектов [3, 4]. По определению коэффициент яркости р(ц, [if,, яр) равен отношению интенсивности отраженного света /(|i, тр) к интенсивности света лЕ0> рассеянного ортотроп-
ной абсолютно белой площадкой, расположенной на верхней границе рассеивающего слоя:
Здесь ц = cos ft, (JLo = cos ty - соответст-
венно полярный и азимутальный углы, определяющие условия распространения падающего под углом светового пучка.
Дополнительно для всех спектров КЯ была использована процедура нормировки спектров, т.е. спектры были преобразованы к виду
РаДа У) = р('-У>/р(1»У) + - + рС", у>,
где ряО'.у) - i-й отсчет значения коэффициента яркости для спектра у; ¿ = 1,2,«, где п - число дискретных отсчетов измеренного спектра яркости. Было показано, что эти нормированные коэффициенты яркости P/y(i, J) фактически превращаются в критерии подобия водных экосистем. Необходимым условием подобия экосистем является совпадение их оптического отображения - спектров коэффициентов яркости и после их преобразования обобщенных координат ОО. При этом следует иметь в виду, что в общем случае совпадение спектров не может выступать достаточным условием подобия экосистем, так как спектры коэффициентов яркости неоднозначно определяются физико-химико-биологическими параметрами водной экосистемы. Спектры коэффициентов яркости являются характеристикой именно видимых компонентов экосистемы и только в этом смысле могут быть использованы. Или, другими словами, если нормированные спектры коэффициентов яркости водных экосистем совпадают, экосистемы подобны по видимым компонентам и по условиям функционирования в течение сравниваемого периода времени [5].
Кроме того, при практической интерпретации результатов дистанционной спектрометрической съемки было установлено, что нормировка спектров КЯ устраняет эффекты, связанные с состоянием поверхности воды, т.е. устраняет "бликовые составляющие" в спектрах и позволяет перейти к использованию формы спектров, определяемой соотношением видимых компонентов, как основной характеристике, отражающей состояние водных экосистем.
УСЛОВИЯ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕКТРОВ
КОЭФФИЦИЕНТОВ ЯРКОСТИ
В работе сравнены спектры КЯ, полученные в различных экспериментах, проведенных на природных водных объектах начиная с 1986 г. Спек-
тры были получены с помощью различной аппаратуры, но по единой методике, в которой измеряли яркость восходящего от воды излучения и облученность водного объекта во время выполнения съемки. В ряде экспериментов синхронно выполняли отбор проб воды на химический и биологический анализ с целью определения концентраций видимых компонентов или решения иных задач гидрохимии [6]. В каждом из описанных ниже экспериментов съемку проводили приблизительно на 50 станциях по 3-7 спектров, которые затем подвергали статистической обработке.
На р. Дон, в районе впадения р. Северский Донец, и Цимлянском водохранилище, в нижнем бьефе, экспериментальные спектры получали с высоты 50-70 м с борта вертолета. Цель эксперимента заключалась в построении биооптических (радиационных) моделей, связывающих интенсивность КЯ с концентрациями видимых компонентов, определенных в пробах воды, отобранных синхронно с получением спектров КЯ [7] с борта вертолета при его зависании. В соответствии с целью эксперимента требовалось получить максимально широкий диапазон концентраций видимых компонентов и получить максимально отличные по форме спектры КЯ. Съемку проводили в зонах максимально отличимых визуально. Поэтому возможно говорить только о массиве спектров с максимальной дисперсией по визуально отличающимся показателям. Задача изучения процессов, происходящих в водных экосистемах, не ставилась.
В эксперименте с мезокосмами, установленными на протоке устья р. Дон - Мертвый Донец, спектры КЯ получали с высоты 1 м, непосредственно над мезокосмами [8,9]. Целью этого эксперимента было наблюдение за временными процессами, происходящими в искусственных водных экосистемах при воздействии на них различных загрязняющих веществ. Соответственно полученные спектры КЯ и оптические образы были отражением внутриводоемных процессов, искусственно созданных в естественных условиях.
Спектры КЯ р. Дон в 2000 г. получали с автомобильных мостов через р. Дон над фарватером реки с высоты около 30 м. Длительность эксперимента - июнь-ноябрь, всего 6 серий измерений. Целью эксперимента было уб
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.