УДК 504.36:574:551.507.362.2<<2008>>(262.5+262.54)(470+570)
Космический мониторинг загрязнения российского сектора Азово-Черноморского бассейна в 2008 г.
А. И. Бедрицкий*, В. В. Асмус**, В. А. Кровотынцев**, О. Ю. Лаврова ***, А. Г. Островский****
Представлены технология космического мониторинга состояния водных объектов и результаты ее применения для исследования Азово-Черномор-ского бассейна в 2008 г. На основе обработки более 1000 спутниковых снимков, а также данных наземных станций выявлены основные особенности загрязнения морской среды, связанные с распространением взвесей, развитием фитопланктона и водорослей, судовыми сбросами нефтепродуктов (выявлено 62 нефтяных пятна) и др. Оценено влияние динамических структур в прибрежной зоне на пространственно-временное распределение параметров загрязнения морской поверхности, а также их вклад в механизмы очищения и самоочищения вод. В частности, получены новые данные об эволюции "кавказских антициклонов", о сроках интенсификации Основного черноморского течения, об особенностях цветения коккалитофорид в глубоководной части Черного моря и др.
1. Введение
В соответствии с поручением Правительства Российской Федерации от 10 февраля 2003 г. № МК-П9-01617 в апреле — ноябре 2008 г. в Росгидромете были продолжены работы, проводимые с 2003 г., по спутниковому мониторингу загрязнения водной среды российского сектора Азовского и Черного морей [3]. Мониторинг загрязнения водной среды, как и в прежние годы, осуществлялся в тесной взаимосвязи с оперативным наблюдением за гидрометеорологической обстановкой.
При организации спутникового мониторинга учитывали мировой опыт проведения подобных работ, а также специфические особенности источников загрязнения и динамики водной среды Азово-Черноморского бассейна. В настоящее время в мире первостепенное значение уделяется мониторингу загрязнения вод нефтепродуктами, представляющими наибольшую опасность для окружающей среды. Аварии нефтеналивных танкеров, сброс с танкеров балластной воды с высокой концентрацией нефтепродук-
* Росгидромет.
**ГУ "Научно-исследовательский центр космической гидрометеорологии "Планета".
*** Институт космических исследований Российской академии наук.
**** Институт океанологии им. П. П. Ширшова Российской академии наук.
тов, утечки при бурении нефтяных скважин и на нефтепроводах в шельфо-вых зонах океана и др. часто становятся причиной попадания в море больших объемов нефтепродуктов. Оказавшись в морской среде, нефтепродукты оказывают пагубное воздействие на фауну и флору моря, нарушают процессы физического, химического и биологического обмена в системе океан — атмосфера, наносят существенный урон индустрии туризма и отдыха.
Своевременное обнаружение и принятие экстренных мер по предотвращению распространения загрязняющих веществ могут во много раз снизить нанесенный ущерб. Поэтому в мире уделяется огромное значение созданию систем обнаружения и контроля загрязнения морской среды. Эффективными средствами контроля загрязнения вод нефтепродуктами являются спутниковые системы дистанционного зондирования Земли и особенно спутниковые радиолокационные наблюдения, позволяющие получать информацию о загрязнении морской поверхности независимо от освещенности и облачного покрова, в широкой полосе обзора и с высоким пространственным разрешением.
В последние годы в большинстве стран мира мониторинг нефтяных загрязнений осуществлялся преимущественно на основе спутниковых радиолокационных данных (ИСЗ "ERS", "ENVISAT", "RADARSAT", "TERRA-SAR" и др.). Несмотря на существенные преимущества по сравнению с другими средствами наблюдения (авиационными и судовыми), спутниковые системы имеют ограничения по периодичности съемки одного и того же района моря (периодичность — один раз в трое суток с учетом возможности изменения углов наблюдения). Это ограничение может быть устранено при расширении спутниковой группировки. Кроме того, радиолокационные средства наблюдения имеют ограничения, связанные с гидрометеорологическими условиями в районе съемки. Оптимальной для радиолокационного обнаружения нефтяных пленок является мгновенная скорость ветра над морской поверхностью 3—8 м/с (волнение 2—4 балла по шкале Бофорта) [4]. В этом случае пленки выглядят темными пятнами на светлой (взволнованной) поверхности моря. При меньшей скорости ветра нефтяные пленки становятся невидимыми на гладкой поверхности моря. При сильном ветре они исчезают вследствие интенсивного перемешивания. Несмотря на имеющиеся ограничения, спутниковые радиолокационные наблюдения на сегодняшний день являются наиболее эффективным средством контроля нефтяного загрязнения морской поверхности.
Кроме нефтепродуктов, поступающих в морскую среду главным образом с судов, к крупным источникам загрязнения Азово-Черноморского бассейна относится речной сток. На российском побережье Черного и Азовского морей расположено 45 рек, впадающих в море; это самая высокая плотность речного стока для этого бассейна. Со всего водосбора с речным стоком в море попадает большое количество загрязняющих веществ терригенного (почвенный материал, горные породы, минералы и др.) и антропогенного (бытовые и промышленные отходы, нефтепродукты, удобрения и др.) характера. Кроме того, сточные воды содержат большое количество питательных веществ и биогенных элементов, способствующих развитию фитопланктона.
В период выпадения ливневых осадков поступающее в море количество минеральных взвесей, биогенных элементов и антропогенных загрязняющих веществ многократно увеличивается. В прибрежных акваториях, примыкающих к устьям рек, наблюдается увеличение мутности морской воды, существенное увеличение площадей зон распространения внутриводной взвеси, появление локальных вспышек цветения фитопланктона, увеличение количества плавающего мусора, пены, поверхностно-активных веществ, включая пленки нефтепродуктов. Несмотря на то, что резкие усиления речного стока носят кратковременный характер, именно на эти периоды приходятся самые масштабные внутримассовые загрязнения моря [3].
Еще одним источником загрязнения водной среды российского сектора Черного моря являются прибрежные воды Абхазии и Грузии, переносимые Основным черноморским течением (ОЧТ). На черноморском побережье Абхазии и Грузии расположены более крупные и более бурные, чем на побережье России, реки (Кодори, Ингури, Риони и др.). Кроме того, на этих реках расположены более крупные населенные пункты, включая города Кутаиси, Поти, Батуми и др. Речной сток Абхазии и Грузии выносит в море более масштабные, чем российские реки, загрязнения, и большая часть этих загрязнений переносится ОЧТ в российские воды.
Загрязнения, попадая в морскую среду, становятся частью этой среды, дальнейшее их распространение зависит от циркуляции вод, которая в разных точках моря, в зависимости от скорости и направления ветра, прогрева воды, интенсивности речного стока, глубины моря, конфигурации береговой черты и др., может существенно различаться. Наиболее значительное влияние на распространение загрязняющих веществ оказывают ОЧТ, прибрежные антициклонические вихри (ПАВ) и циклонические вихри [6, 7]. Основное черноморское течение осуществляет вдольбереговой перенос загрязняющих веществ, генеральное направление которого ориентировано с юго-востока на северо-запад. В свою очередь вихревые структуры в прибрежной акватории моря, являющиеся следствием гидродинамической неустойчивости и меандрирования ОЧТ, способствуют аккумулированию части загрязнений внутри ПАВ и очищению от загрязнений значительной части прибрежных акваторий вокруг вихрей.
2. Развитие технологии космического мониторинга российского сектора Азово-Черноморского бассейна
В ходе выполнения данного проекта развивалась и совершенствовалась технология космического мониторинга. В связи с вводом в эксплуатацию в московском отделении ГУ "НИЦ "Планета" приемной станции нового поколения "Konsberg" повысилась оперативность получения данных ИСЗ "TERRA", "AQUA" и "NOAA" (вследствие сокращения времени, затрачиваемого на перекачку больших объемов данных из г. Обнинск или г. Долгопрудный в Москву). Кроме того, на приемной станции "Konsberg" реализованы и осуществляются в автоматическом режиме некоторые процедуры предварительной обработки спутниковых данных "TERRA" и "AQUA" (распаковка, геокодирование и калибровка).
В рамках проекта были доработаны некоторые программные средства тематической обработки спутниковых данных. В частности, проведена доработка технологии автоматизированного распознавания и классификации
состояния водной среды (в плане повышения уровня различимости на изображениях водных объектов, имеющих низкую яркость) по многозональным спутниковым изображениям. В программной системе, поддерживающей эту технологию, реализованы методы распознавания и классификации без обучения (кластерный анализ) и классификации с обучением [1, 2]. Неконтролируемая классификация (кластерный анализ) в программном комплексе представлена двумя алгоритмами — методом ^-средних и методом анализа мод многомерной гистограммы. Первый подход основан на итеративной процедуре отнесения векторов наблюдений классам по критерию минимума расстояния от вектора до центра класса. В основе второго подхода лежит предположение, что исходные данные являются выборкой из многомодового закона распределения, причем векторы, отвечающие отдельной моде, образуют кластер. Кластерный анализ позволяет группировать элементы изображения на основе близости в многомерном спектральном пространстве. Результаты кластерной обработки применяются для выбора тестовых участков, используемых в распознавании с обучением. В подсистеме распознавания с обучением используется 9 классификаторов, из которых один пиксельный и 8 контекстных, учитывающих связи внутри некоторой окрестности каждого пикселя и различающихся способом описания этих связей. Выбор оптимального решающего правила (с точки зрения точности распознавания) производится на этапе обучения по результатам классификации тестовых участков. Этапы технологии автоматизированного распознавания и классификации состояния водн
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.