МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
РАЗРАБОТКА ЭМПИРИЧЕСКИХ АЛГОРИТМОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ХЛОРОФИЛЛА-^ И ОКРАШЕННЫХ РАСТВОРЕННЫХ
ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫХ МОРЕЙ ИЗ ДИСТАНЦИОННЫХ ДАННЫХ ПО ЦВЕТУ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
© 2013 г. П. А. Салюк1, И. Е. Стёпочкин2, И. А. Голик1, О. А. Букин3, А. Н. Павлов3, А. И. Алексанин4
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток 2Морской государственный университет им. адмирала Г.И. Невельского, Владивосток 3Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Владивосток 4Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Дальневосточный федеральный университет, Владивосток *Е-таИ: psalyuk@poi.dvo.ru Поступила в редакцию 19.04.2012 г.
Рассмотрены методы эмпирического определения концентрации хлорофилла-а и окрашенных растворенных органических веществ (ОРОВ) из гиперспектральных данных по цвету морской поверхности в случае различных соотношений между концентрацией хлорофилла-а и ОРОВ. Исследования проведены на акваториях Японского и Охотского морей в водах различного оптического типа. Для собранного массива натурных наблюдений показано, что для наилучшего разделения вкладов фитопланктона и ОРОВ в цвет океана необходимо использовать линию солнечно-инуцированной флуоресценции хлорофилла-а в районе 680 нм для оценки концентрации хлорофилла-а, и коэффициенты яркости морской поверхности в спектральном диапазоне 550—580 нм для оценки концентрации ОРОВ. Определены спектральные каналы современных спутниковых сканеров цвета морской поверхности для наилучшего разделения вкладов фитопланктона и ОРОВ в регистрируемый сигнал.
Ключевые слова: фитопланктон, хлорофилл-а, растворенное органическое вещество, цвет морской поверхности, флуоресценция, биооптический алгоритм, пассивное оптическое зондирование
Б01: 10.7868/80205961413030044
ВВЕДЕНИЕ
Измерение цвета морской поверхности со спутников активно развивается в последние десятилетия. В настоящее время спутниковые данные широко используются в задачах мониторинга окружающей среды. Содержание фитопланктона и окрашенных растворенных органических веществ (ОРОВ) в морской воде является одним из основных факторов, определяющих изменчивость регистрируемого сигнала. Большинство современных стандартных биооптических алгоритмов оценивает только концентрацию хлорофилла-а — основного пигмента фитопланктона, который является показателем биопродуктивности морских вод. Однако концентрация ОРОВ не менее важный параметр, необходимый для более точных оценок состояния фитопланктонных сообществ и производимой ими первичной продукции, а также для проведения экологического мониторинга. В дан-
ный момент в основном используются региональные алгоритмы, оценивающие ОРОВ, которые зависят не только от района, но и от сезона измерений. Разработка более универсальных подходов позволит точнее определять содержание хлоро-филла-а и ОРОВ вне зависимости от наличия подспутниковых наблюдений.
Существуют два основных подхода для оценки концентрации хлорофилла-а и ОРОВ в морской воде: эмпирический, в котором используются экспериментально установленные соотношения между коэффициентами яркости моря на определенных длинах волн и концентрациями оптически-активных компонентов (ОАК) морской воды, и полуаналитический, где спектральное распределение коэффициента яркости представлено в виде функции от показателей рассеяния и поглощения ОАК в исследуемой акватории.
Общей проблемой для обоих подходов является сложность спектральных распределений показателей поглощения и рассеяния света морской воды. Особенно это актуально для вод второго оптического типа, где показатели различных ОАК соизмеримы по величине, и соотношения концентраций ОАК непостоянны (Morel, Prieur, 1977; Sathyen-dranath, 2000). Так, например, отношение концентрации хлорофилла-a к ОРОВ может зависеть от наличия аллохтонного ОРОВ, степени деградации ОРОВ и состояния клеток фитопланктона, при этом перечисленные факторы меняются в различные сезоны наблюдений (Букин и др., 2004; Morel, Gentili, 2009).
У эмпирического и полуаналитического подхода есть свои преимущества и недостатки. В первом случае возникают существенные ошибки при смене соотношений между хлорофиллом-a и ОРОВ. Поэтому необходимо проведение большого количества измерений эталонными контактными методами для накопления достаточной статистики и построения алгоритмов для различных районов и сезонов (Букин и др., 2003; Bukin et al., 2010; Buren-kov et al., 2000). Во втором случае минусы состоят в большей чувствительности к ошибкам атмосферной коррекции (Kopelevich et al., 2004), необходимости больших вычислительных ресурсов и неустойчивости задачи, что может привести к кардинально ошибочному решению из неправильной области локального минимума. Кроме этого, излишняя сложность полуаналитического подхода в водах первого оптического типа может привести к дополнительным ошибкам.
Полуаналитический подход является более перспективным, поскольку позволяет уменьшить ошибки, связанные со сменой соотношений между ОАК, и его недостатки будут уменьшаться по мере развития вычислительных мощностей и улучшения спектрального разрешения дистанционных измерений. Однако эмпирические алгоритмы не теряют своей актуальности, так как они более устойчивы к ошибкам атмосферной коррекции, необходимы для определения начальных и граничных условий полуаналитических моделей и могут быть использованы в качестве оценок в том случае, если полуаналитические алгоритмы не приводят к корректным решениям. Улучшить эмпирические алгоритмы возможно за счет тщательного подбора рабочих спектральных диапазонов, которые будут максимально разделять вклады ОАК.
Задача данной работы — поиск таких эмпирических определений концентрации хлорофилла-a и ОРОВ из спектров коэффициента яркости моря, которые максимально разделяют вклад хлоро-филл-a и ОРОВ в формирование восходящего излучения моря, или, другими словами, максимально приближают рассматриваемую воду к первому
оптическому типу. Для решения поставленной задачи рассмотрены спектральные диапазоны реально существующих спутниковых сканеров цвета морской поверхности и подобраны оптимальные диапазоны вне привязки к спутниковым сканерам.
В качестве экспериментальных данных в работе использованы судовые измерения. При этом полученные результаты могут быть использованы для спутников, поскольку метод пассивного оптического зондирования цвета морской поверхности универсален как для работы из космоса, так и для работы с борта судна. Отличия состоят в необходимости проведения атмосферной коррекции, спектральном разрешении и ошибках измерений.
Использование судовых экспериментальных данных для решения поставленной задачи имеет ряд преимуществ. Во-первых, используемый ручной радиометр позволяет измерять спектр восходящего излучения моря в широком спектральном диапазоне с высоким разрешением, что дает возможность определять оптимальный рабочий спектральный диапазон разрабатываемых биооптических алгоритмов. Во-вторых, при радиометрических измерениях с борта судна отсутствует необходимость проведения атмосферной коррекции данных, что исключает неточности связанные с прохождением регистрируемого сигнала через атмосферу. В результате схема эксперимента выбрана так, чтобы оставшаяся неопределенность была связана только с изменениями соотношений между различными ОАК морской воды, или, другими словами, с выбором правильного биооптического алгоритма.
ИЗВЕСТНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Значения показателей поглощения, рассеяния и интенсивности солнечно-индуцированной флуоресценции ОАК определяют спектр восходящего излучения моря, или цвет моря, который регистрируется дистанционно радиометрами. Универсальной характеристикой цвета морской поверхности является спектр коэффициента яркости моря, определяемый следующим образом:
Rrs(X) =
Ed (к)'
(1)
где — яркость восходящего излучения моря
в надир; Ей — солнечная освещенность, падающая на морскую поверхность. На рис. 1а представлен типичный измеренный спектр ЯГ5(Х). Кривая 1 соответствует сигналу, рассеянному обратно из морской толщи, который выражается че-
X, нм
Рис. 1. Спектральные параметры: а — спектр коэффициента яркости моря Лга(Х) (кривая 1) и выделенный пик солнечно-индуцированной флуоресценции хлорофилла-а ¥ЬН (кривая 2); б — спектральное распределение показателей поглощения основных оптически-активных компонентов морской воды для концентрации хлорофилла-а 4 мкг/л и концентрации ОРОВ 2.9 мкг/л (1 — показатель поглощения чистой водой ак(Х); 2 — показатель поглощения фитопланктоном ар^(Х); 3 — показатель поглощения ОРОВ и детритами а^Х); 4 — суммарный показатель поглощения а(Х)); в — спектральное распределение отношения показателей поглощения ар^(Х) и ad(Х) для различных концентраций хлоро-филла-а (1 — 0.3 мкг/л; 2 — 3 мкг/л; 3 — 10 мкг/л).
рез первичные гидрооптические характеристики следующим образом:
= Qf
bb ft)
a ft) + bb ft)'
(2)
где Q — фактор, зависящий от зенитного и азимутального углов, под которыми радиометр направлен на морскую поверхность; /— переменный параметр, зависящий от индикатрисы рассеяния морской воды и от пространственного распределения падающего света; а(Х) — суммарный показатель поглощения морской воды; Ьь(к) — суммарный показатель обратного рассеяния морской водой.
Кривая 2 (рис. 1а) определяется интенсивностью солнечно-индуцированной флуоресценции хлорофилла-а, которая зависит от концентрации фитопланктона в морской воде, его стратификации по глубине, видового состава и функционального состояния клеток фитопланктона, солнечной освещенности (Gower, King, 2007). Солнечно-индуцированная флуоресценция измеряется на спутниковых сканерах MERIS (в настоящее время не работает), MODIS, GOCI путем использования трех каналов: центрального — около 680 нм для оценки интенсивности сигнала, и двух каналов для учета фона в районе 660 и 750 нм (Behrenfeld et al., 2009).
На рис. 1б приведены спектры показателей поглощения света чистой водой (aw, кривая 1) (Smith, Baker, 1981
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.