научная статья по теме МЕТОДИКА ТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫХ ДАННЫХ В ЗАДАЧЕ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АКВАТОРИЙ ПОРТОВ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «МЕТОДИКА ТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫХ ДАННЫХ В ЗАДАЧЕ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АКВАТОРИЙ ПОРТОВ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2014, № 1, с. 66-71

МЕТОДИКА ТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫХ ДАННЫХ В ЗАДАЧЕ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АКВАТОРИЙ ПОРТОВ

© 2014 г. Д. В. Жуков

Военно-космическая академии им. А.Ф. Можайского, Санкт-Петербург E-mail: spb_pilligrim@rambler.ru Поступила в редакцию 24.04.2013 г.

В статье представлены результаты исследования закономерностей изменения спектрально-отражательных характеристик водной поверхности в зависимости от содержащихся в воде загрязняющих веществ (нефтепродуктов и взвесей). На основе исследованных закономерностей приводится алгоритм обработки аэрокосмических гиперспектральных данных, обеспечивающий выявление и определение характеристик загрязнений акваторий. Приведена краткая оценка результативности применения данного алгоритма на примере акватории порта г. Санкт-Петербурга.

Ключевые слова: гиперспектральные данные, пленки нефтепродуктов, взвешенные вещества, коэффициенты спектральной яркости

Б01: 10.7868/80205961414010084

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в России активно развивается концепция, согласно которой экономическое развитие общества должно осуществляться в сочетании с обеспечением экологического баланса между природной и антропогенной системами. Морские транспортные коммуникации, а вместе с ними и порты, играют одну из ключевых ролей в экономическом развитии некоторых регионов. При этом акватории морей в районах интенсивного транспортного использования испытывают значительные антропогенные нагрузки. С целью предупреждения ухудшения качества водных ресурсов в этих районах необходима своевременная оценка экологического состояния акваторий портов, которая определяется на основании степени загрязнения ее различными техногенными примесями, внесенными в результате водопользования (Гусева, 2007). В районе крупных морских портов наиболее характерными факторами негативного воздействия на водные объекты являются следующие:

— несанкционированные сбросы нефтепродуктов с кораблей, судов и наземных объектов;

— просачивание в акваторию нефтепродуктов вместе с грунтовыми водами из заполненных нефтепродуктами коммуникаций;

— выход через выпуск ливневой канализации нефтепродуктов из-за проливов горюче-смазоч-

ных материалов на территории и отсутствия неф-теулавливающих устройств;

— сброс неочищенных хозяйственно-бытовых стоков от объектов инфраструктуры порта;

— сброс мусора с кораблей и судов, уличного смета при уборке прилегающих к акватории территорий.

Анализ приведенных факторов негативного воздействия на акватории портов позволяет сделать вывод о том, что наиболее распространенным видом негативного воздействия на акватории морей является поступление в них химических токсикантов, в том числе органических и минеральных взвесей, а также нефтепродуктов. Эти загрязнения оказывают наибольшую нагрузку на природную среду. Установлено, что на нефтяные разливы приходится 20—30% общего загрязнения акваторий. При попадании нефти в море на поверхности образуется пленка — "нефтяной слик", в котором нередко аккумулируются такие загрязняющие вещества, как ионы тяжелых металлов и хлорированные углеводороды (Бон-дур, 2010; Аэрокосмический..., 2012). Минеральные взвеси также обладают свойством адсорбировать растворенные в воде вредные примеси. Кроме того, при осаждении взвеси задерживают развитие или полностью прекращают жизнедеятельность донных микроорганизмов, участвующих в процессе самоочищения вод. Также они затрудняют проникновение света на глубину и за-

медляют процессы фотосинтеза (Дмитриев, 2004). Таким образом, предварительную оценку экологического состояния акватории можно произвести на основании выявления и определения характеристик поверхностного загрязнения вод нефтепродуктами и внутримассового загрязнения минеральными взвесями. Для пленок нефтепродуктов такой характеристикой являться их толщина, для внутримассового загрязнения воды минеральными взвесями — концентрация. При этом для предварительной оценки достаточно ранжировать выявленные пленки нефтепродуктов на две категории: тонкие пленки (толщиной менее 0.2 мм) и мощные нефтяные пятна (толщиной более 0.2 мм), а концентрации взвешенных веществ — на четыре категории, соответствующие следующим диапазонам: от 30 до 50 мг/л, от 50 до 100 мг/л, от 100 до 200 мг/л и более 200 мг/л. Следует также отметить, что под воздействием течения и ветра указанные загрязнения могут распространяться на достаточно большие расстояния за короткий срок, поэтому при оценке экологического состояния акватории порта важную роль играет оперативность выполнения работ по выявлению и оценке характеристик возможных загрязнений. Для решения этой задачи перспективно применение аэрокосмических методов и технологий (Бондур, 2004, 2010).

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ АКВАТОРИЙ

На сегодняшний день в большинстве случаев обследование акватории порта с целью выявления и определения характеристик различных загрязнений проводится с помощью морских средств сбора данных (судов экологического контроля). Такие средства позволяют проводить локальную оценку состояния воды только вдоль маршрутов следования. Полученные результаты аппроксимируются на всю обследуемую площадь. Согласно "Методическим указаниям по гигиеническому контролю загрязнения морской среды", контроль качества морской воды акватории портов осуществляется в четырех точках, две из которых расположены на границе акватории, одна — в месте возможной наибольшей концентрации загрязнений от судов (обычно полагается, что это центральная часть бухты) и одна — в 500 м от выхода из порта. Экологическая оценка состояния акватории, определенная на основании такого обследования, может не соответствовать действительности, поскольку, во-первых, местом возможной наибольшей концентрации загрязнений, как правило, считается центральная часть бухты, а это не всегда верно, во-вторых, акватория порта — это достаточно большой по площади район, и аппроксимация результатов обследова-

ния по четырем точкам этого района дает недопустимо большие погрешности. Увеличение количества точек отбора проб воды приводит к значительному повышению трудоемкости и длительности экологического обследования акватории.

Существует способ обследования акваторий портов с помощью комплексного применения аэрокосмических и морских средств сбора данных о состоянии окружающей среды (Бондур, 2004; Вопёиг, 2006, 2001). При этом в качестве материалов аэрокосмической съемки выступают многозональные снимки территории. Такие снимки позволяют зарегистрировать только общие контуры загрязнений и определить места, в которых следует произвести судовые тестовые измерения для определения качественных и количественных характеристик загрязнений. Тематическая обработка материалов аэрокосмической съемки при таком подходе производится высококвалифицированными операторами-дешифровщиками, как правило, визуальным методом, а конечный продукт обработки (тематический слой цифровой карты местности) формируется вручную. В результате время, требуемое на обработку материалов аэрокосмической съемки, а также на организацию и проведение работ по проведению судовых тестовых измерений, также достаточно велико.

В связи с недостатками указанных методов обследования акваторий портов был разработан и апробирован принципиально новый подход, основанный на тематической обработке гиперспектральных материалов аэрокосмической съемки в автоматизированном режиме. Применение гиперспектральных данных для решения поставленной задачи обусловливается тем, что их тематическая обработка позволяет не только выявить и определить общие контуры загрязнений акватории нефтепродуктами и минеральными взвесями, но также определить их характеристики в каждой точке изображения с точностью, достаточной для расчета предварительной оценки экологического состояния обследуемого участка акватории (Бондур, 2004, 2010). Кроме того, фильтрация некоторых фоновых (незагрязненных) участков водной поверхности возможна только за счет различия спектральных откликов в узком диапазоне длин волн (до 5—10 нм), что позволяет анализировать гиперспектральные данные. Далее будет показано, что если обнаружение крупнодисперсных взвесей с концентрацией более 200 мг/л и мощных пленок нефтепродуктов можно производить по многозональным снимкам, то выявление участков загрязнения воды тонкими пленками нефтепродуктов, а также минеральными взвесями малых концентраций возможно только по данным гиперспектральной съемки.

68

ЖУКОВ и др.

Этап 1

Выделение на изображении водного объекта по методу яркостного контраста смежных пикселов

Этап 2 Кластеризация выделенного фрагмента методом Ьс®а1а

Эта Агломерация полигон меньше ш 3 ов, имеющих площадь ¡аданной

Этап 4

Идентификация кластеров и разбиение их на 3 группы:

1. Пленки нефтепродуктов с толщиной более 0.2 мм

2. Участки воды с крупнодисперсными взвесями минерального происхождения с концентрацией выше 200 мг/л

3. Кластеры со значениями КСЯ более 0.2

Этап 5

Разбиение кластеров 3 группы на полигоны и их идентификация по группам:

1. Пленки нефтепродуктов толщиной менее 0.2 мм

2. Взвеси концентрацией от 30 до 50 мг/л

3. Взвеси концентрацией от 50 до 100 мг/л

4. Взвеси концентрацией от 100 до 200 мг/л

База данных спектральных характеристик объектов ландшафта

Рис. 1. Принципиальная схема алгоритма обнаружения загрязнений.

МЕТОДИКА ВЫЯВЛЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАГРЯЗНЕНИЙ АКВАТОРИИ ПОРТА

ПО ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫМ ДАННЫМ

Алгоритм тематической обработки гиперспектральных данных решает задачи автоматизированного обнаружения и расчета характеристик таких типов загрязнений акваторий портов, как внутримассовое загрязнения воды минеральными взвесями и загрязнение водной поверхности пленкой нефтепродуктов. При этом прибор, обеспечивающий получение гиперспектральных данных, должен пройти процесс спектральной и энергетической калибровки, а сами данные должны быть представлены в виде безразмерных яркостных характеристиках (коэффициентах спектральной яркости (КСЯ), исключающих искажения яркости атмосферной дымки.

Принципиальная схема алго

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Космические исследования»