ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2013, № 2, с. 217-226
= ЭКОЛОГИЯ =
УДК 599.742.22+599.745+528.871
О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СПУТНИКОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МОРСКИХ МЛЕКОПИТАЮЩИХ
© 2013 г. Н. Г. Платонов, И. Н. Мордвинцев, В. В. Рожнов
Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, 119071 Москва, Ленинский просп., 33 E-mail: platonov@sevin.ru Поступила в редакцию 10.02.2012 г.
Исследована возможность применения современных систем спутникового зондирования высокого пространственного разрешения в оптическом диапазоне для регистрации морских млекопитающих и обнаружения следов их жизнедеятельности. Для анализа использовалось изображение GeoEye, полученное в рамках программы FEAC, охватывающее о-в Геральд с прилегающей акваторией, входящей в состав заповедника "Остров Врангеля" в период сезона таяния (июнь 2009 г.). Показано, что морские млекопитающие (белый медведь, морж, киты) могут быть выявлены на таких изображениях. Отсутствие синхронных подспутниковых измерений уменьшает надежность полученных результатов.
DOI: 10.7868/S0002332913020100
Труднодоступность Арктики и недостаточная эффективность использования традиционных методов изучения морских млекопитающих в этом регионе заставляет обращаться к методам дистанционного зондирования арктических местообитаний с помощью разнообразной измерительной аппаратуры. Последняя постоянно совершенствуется, в первую очередь за счет увеличения чувствительности сенсоров и, соответственно, увеличения пространственного разрешения. В 2008 г. был запущен спутник GeoEye-1, который оснащен оборудованием, позволяющим получать панхроматические изображения с разрешением 0.41 м. Коммерческое распространение этих снимков осуществляется с разрешением 0.5 м по всему полю изображения. Однако оптические системы имеют существенный недостаток — с их помощью невозможно проведение съемки в зимний и ночной периоды и в условиях облачности. Радарная съемка лишена указанных недостатков, но не обеспечивает такого высокого пространственного разрешения: наивысшее пространственное разрешение в настоящее время в X-диапазоне составляет 1 м (спутники COSMO-SkyMed, Европа; TerraSAR-X, США) и в C-диапазоне — 3 м (спутник RADARSAT-2, Канада).
Получаемые оптические и радарные изображения в последнее время начали использоваться для изучения распространения и численности морских млекопитающих в Арктическом регионе. В 2010 г. в период щенки тюленей с использованием спутниковых радарных данных (спутник RADARSAT-1, Канада для оперативной оценки
ледовой обстановки) и оптических изображений (спутник EROS-B (Израиль), пространственное разрешение 0.7 м, для выявления потенциальных районов щенных залежек гренландских тюленей) был осуществлен проект спутникового контроля судоходства в Белом море (Новости ... , 2010). Для подсчета тюленей Уэдделла на припайном льду были использованы изображения QuickBird-2 (0.6 м) и WorldView-1 (0.6 м) (LaRue et al, 2011). Результаты, полученные с использованием данных дистанционного зондирования, оказались хорошо согласованными с результатами наземного подсчета. С помощью космического снимка EROS-B от 28 июля 2011 г. была обнаружена залежка атлантического моржа в береговой зоне о-ва Матвеев в южной части Баренцева моря (Семенова и др., 2011). Пространственное разрешение 0.7 м позволило идентифицировать животных размером 2.5—3 м и оценить размер скопления в 200 особей.
Приведены предварительные результаты визуального анализа панхроматического изображения GeoEye с высоким разрешением (0.5 м) для обнаружения морских млекопитающих. На оптическом изображении с разрешением 0.5 м по всему полю взрослый белый медведь, например, при длине тела 2—2.5 м занимает 4—5 пикселей, что делает возможным обнаружение животного при определенных условиях окружающей среды.
Для исследования был выбран о-в Геральд с прилегающей акваторией, входящий в состав заповедника "Остров Врангеля". Преимуществом
Рис. 1. Изображение 20090619234633885GE-10280165_001 в режиме предварительного просмотра.
о-ва Геральд и прилегающей акватории является отсутствие объектов деятельности человека, вносящих ошибки при идентификации животных. Отсутствие беспокойства со стороны человека исключает также обнаружение таких следов поведения, как стремление белого медведя уйти в воду в случае опасности.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для анализа использовано изображение от 19 июня 2009 г., которое охватывает о-в Геральд и прилегающую акваторию. Изображение в формате предварительного просмотра представлено на рис. 1, метаданные из каталога изображений (по состоянию на 2 июня 2011 г.) — в таблице. В отличие от заявленной проекции EPSG: 4326 (Evenden, 1990) полученное изображение имеет проекцию EPSG: 32601 (+ proj = utm + zone = 1 + datum = = WGS84 + units = m + no_defs). При анализе изображения географические преобразования не проводились, на иллюстрациях север всегда вверху.
Для выявления на изображении морских млекопитающих использован визуальный анализ фрагментов (кадров) панхроматического изображения в среде Quantum GIS (Quantum GIS ... , 2011). Каждый фрагмент представлял собой участок 350 х 250 м, или 1/3600 общей площади изображения. Выбор размера фрагмента осуществлен таким образом, чтобы пиксель изображения занимал не менее полутора пикселей экрана мониторов (в 1 м 3.3 пикселя). Проведено трехэтапное сканирование изображения: по береговой линии,
по границе лед—вода припайной зоны о-ва Геральд и покадровое сканирование всего поля изображения. Сканирование осуществлялось вертикальными галсами, соприкасающимися друг с другом, шаг перемещения — 1/4 фрагмента в вертикальном или горизонтальном направлении. В ходе сканирования отмечали представляющие потенциальный интерес объекты в виде таких геометрических образов, как полигоны и точки, с присвоением условных обозначений и возможностью добавления комментариев. В качестве базовой карты в ряде случаев использовали изображения в ближнем инфракрасном диапазоне (разрешение 2 м) и построенный по отдельным каналам цветной композит из красного, зеленого и синего диапазона (разрешение 2 м).
Условия окружающей среды, характерные для исследуемого региона в июне 2009 г., представлены на рис. 2 и 3. Ввиду климатических особенностей переноса воздушных масс на большие расстояния изучаемая область расширена до центральной Арктики и северной части Тихого океана (рис. 2, 3).
На рис. 3 показаны среднемесячные аномалии: геопотенциальных высот (рис. 3а, контур); скорости и направления ветра (рис. 3а, стрелки); температуры поверхности (рис. 3б, белый контур) по уровню 1000 мб. На рис. 3б показана также концентрация морского льда, классифицированная по уровням 15% и 50% (градации серого), и аномалии концентрации (черный контур) по уровням 15% (тонкая линия) и 30% (толстая линия), На обоих рисунках положительной аномалии соответствует короткий пунктир, отрицательной — длинный.
Для более детального анализа ледовой обстановки в исследуемом регионе применялась серия еженедельных обзорных ледовых карт ЕСИМО ААНИИ (С. Петербург) (http://www.aari.ru/oda-ta/_d0015.php), представленная на рис. 4. Отмечается проявление центральной ветви берингомор-ского течения и уменьшение концентрации льда, которое также может быть вызвано влиянием теплых, относительно глубинных, вод Берингова моря.
В июне 2009 г. в западной части Чукотского моря преобладали ветра восточных румбов (рис. 2), вызванные положительной аномалией давления в канадском секторе Арктики (рис. 3). Вследствие этого возникла адвекция льда, приведшая к дефициту льда в этой части моря по сравнению с усредненным значением за декадный период (2000— 2009 гг.). Температура воздуха составляла +1 ... +2°С и была достаточной для начала поверхностного таяния льда и снега. В июне 2009 г. движение кромки льда (вскрытие) в западной части Чукотского моря происходило почти с постоянной скоростью в западном направлении (с востока на за-
Метаданные изображения 20090619234633885GE10280165_001 по состоянию на 2 июня 2011 г.
Имя атрибута Значение атрибута
IMAGE_ID 20090619234633885GE1028016520090619234633885GE10280165_001
ORDER_ID 20090619234633885GE10280165(280165)
SOURCE_ABR GE-1
SOURCE GEOEYE-1
SENS_MODE PAN_MS_HR
STRIP_ID 20090619234633885GE10280165
SCENE_ID 20090619234633885GE10280165_001
COLL_DATE 19.06.2009
MONTH 6
YEAR 2009
GSD 0.49237
SQKM 322
SPATIALREF EPSG:4326
RANKING 7501
ELEV_ANGLE 61.1011
AZIM_ANGLE 359.891
CLOUDS 0
SUN_ELEV 42.2318
SUN_ANGLE 180.7163
STEREO_ID
DATA_OWNER GEOY
UL_LAT 71.454672
UL_LON -175.948793
UR_LAT 71.456781
UR_LON -175.455569
LL_LAT 71.282927
LL_LON -175.953523
LR_LAT 71.304782
LR_LON -175.446422
GEORECTIFY 1
IMAGE_URL http: // geofuse.geoeye.com/static/browse/geoeye/GE1/2009/6/19 // 20090619234633885GE10280165_001.jpg
WORLD_URL http: // geofuse.geoeye.com/static/browse/geoeye/GE1/2009/6/19 // 20090619234633885GE10280165_001.jgw
METADATA http: // geofuse.geoeye.com/landing/image-details/Default.as-px?id=20090619234633885GE1028016520090619234633885GE10280165_001
PRODUCT http: // www.geoeye.com/CorpSite/products/Default.aspx
пад). Отмечается появление Заврангельской полыньи к северу от о-ва Врангеля (рис. 4). У северных берегов Чукотки лед сохранился вплоть до конца июня. По сравнению с аналогичным периодом 2010 г., июнь 2009 г. был более солнечным (композиционные карты MODIS, спутник Terra, США).
Некоторые условия окружающей среды на день съемки (19 июня 2009 г.) выявляются из самого изображения. Отсутствуют признаки волнения морской поверхности к северу от о-ва Геральд, а волны с периодом 5—7 м к югу от острова могут быть зыбью.
Рис. 3. Аномалии условий окружающей среды в июне 2009 г. по сравнению с базовым периодом 2000—2009 гг. а — геопотенциальные высоты (контур), скорость и направление ветра (стрелки), температура поверхности по уровню 1000 мб (белый контур); б — концентрация морского льда: по уровням 15 и 50% (градация серого), аномалии концентрации (черный контур) по уровню 15% (тонкая линия) и 30% (толстая линия); а, б — положительная (короткий ш
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.