- НАУКИ О ЗЕМЛЕ -
УДК 504.45.064.37:528.8
РАЗВИТИЕ МЕТОДОЛОГИИ ДИСТАНЦИОННОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ ПРЕСНОВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ
© 2005 г. Б.Л. Сухорукое1, чл.-корр. РАН A.M. Никаноров1
Разработана методология интерпретации дистанционной спектрометрической информации, базирующаяся на использовании модельных спектров коэффициента яркости восходящего от воды излучения и построенного на их основе пространства оптических образов. Обоснована целесообразность использования интегральных показателей для оценки состояния водных экосистем. Каждый спектр коэффициента яркости восходящего от воды излучения представлен в виде точки в этом пространстве. При восстановлении концентраций видимых компонентов по спектрам восходящего от воды излучения, полученным со спектральным разрешением ок. 10 нм, точность восстановления концентраций составляет для минеральных взвешенных веществ ок. 40%, для фитопланктона - 30%. Точность восстановления повышается до =25% для Смв и 5-7% для Сфп при наличии спектров, полученных совместно с опорными данными.
Использование спектрометрической информации для оценки состояния экосистемы предполагает решение обратной задачи: восстановления параметров экосистемы по зарегистрированному излучению, исходящему от экосистемы. Восстанавливаемым параметрам можно придать смысл концентраций различных компонентов экосистемы (назовем результат решения "представлением видимых компонентов") или интегральных показателей состояния экосистемы, определяемых этими компонентами ("представление состояния экосистемы"). В любом случае их изменение (концентрации или физико-химических свойств) должно проявляться в спектрах восходящего излучения, т.е. компоненты должны быть видимыми при зондировании экосистемы - "видимыми компонентами" (ВК). В настоящей работе рассматривается методология мониторинга при пассивном зондировании, где первичным, зондирующим излучателем является Солнце.
Изменение восходящего излучения проявляется в изменении формы регистрируемых спектров либо за счет поглощения, либо за счет "эмиссии" ВК. "Эмиссия" может быть обусловлена как рассеянием на видимых компонентах возбуждающего излучения, так и (или) флуоресценцией этих компонентов. В любом случае, происходит переизлучение возбуждающего излучения видимыми компонентами. Кроме ВК в экосистеме содержится большое количество компонентов (или веществ), которые оптически невидимы, т.е. их не-
1 Институт водных проблем РАН, Южный отдел, г. Ростов-на-Дону.
посредственно невозможно зарегистрировать по восходящему от экосистемы излучению в видимой области спектра. Однако эти компоненты могут вступать в химические реакции с ВК и таким образом влиять на интенсивность регистрируемого излучения в отдельных диапазонах спектра.
Для корректного решения обратной задачи необходимо понять физику процесса формирования спектров яркости излучения, восходящего от подстилающей поверхности. Рассмотрим эту задачу применительно к яркости восходящего излучения от поверхностных вод суши (ПВС) в видимой области электромагнитного спектра.
АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ
ЯРКОСТИ ВОСХОДЯЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Анализ литературных данных, полученных при расчете спектров яркости и коэффициентов яркости (КЯ), а также при построении радиационных или биооптических моделей (эмпирически или полуэмпирически построенных зависимостей яркости от концентраций видимых компонентов), показал следующее. Имеются многочисленные данные, показывающие удовлетворительное совпадение теоретических и экспериментальных данных, в особенности при построении биооптических моделей [1-4]. Имеется и целый ряд серьезных расхождений модельных спектров КЯ с отдельными измеренными in situ спектрами на различных пресноводных объектах. Не удается построить единую модель, одинаково хорошо объясняющую все полученные экспериментальные
данные. Теоретические модели являются существенно параметризованными.
Такое положение, скорее всего, объясняется тем, что сопоставление экспериментальных спектров и КЯ, рассчитанных с ограниченным набором исходных данных, к которым относили только концентрации ВК, включенных в расчет, в общем случае некорректно.
Был разработан метод, использующий спектрометрическую информацию, позволяющий в значительной степени избавиться от указанной некорректности [5-7]. На первой стадии анализа экспериментальных данных было предложено рассматривать спектрометрическую информацию как самодостаточную для описания динамики экологического состояния водных объектов. И только на заключительной стадии интерпретации проводилось сопоставление полученных результатов с традиционно измеряемыми в гидрохимии и гидробиологии параметрами, т.е. своеобразная градуировка этой информации.
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ МНОГОМЕРНОГО СТАТИСТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРИ ИЗУЧЕНИИ СПЕКТРОВ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЯРКОСТИ ЭКОСИСТЕМ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД СУШИ
Целесообразность применения методов многомерной статистики к анализу дистанционной спектрометрической информации становится очевидной при рассмотрении объекта и предмета исследования.
Объектом изучения в рассматриваемой проблеме являются экосистемы, характерной особенностью которых является постоянно изменяющаяся совокупность биологических и химических компонент при изменяющихся физических условиях [8, 9]. Химические компоненты водных объектов образуют среду обитания биологического сообщества различных уровней, своеобразную "физико-химическую матрицу". Существование биологических компонент возможно только в сложной взаимосвязи внутри этой "матрицы". При этом одна часть химической "матрицы" постоянно вовлекается в оборот биологическим сообществом и изменяется как качественно, так и количественно за счет продуктов его метаболизма. Другая часть этой "матрицы" неразрывно связана с первой за счет как чисто химических (реакции с образованием химических соединений), так и физических (механических) превращений - процессы адсорбции, десорбции, седиментации и т.д. Кроме того, хорошо известен экспериментальный факт, многократно подтвержденный данны-
ми, полученными различными методами: химические и биологические компоненты, в том числе видимые в оптическом диапазоне волн, обычно распределяются по глубине водного объекта очень неоднородно [10-11]. Это связано, в первую очередь, с неоднородностью температуры несме-шивающихся слоев воды. Различные слои, имея различную плотность по глубине водного объекта, в свою очередь, вызывают неоднородность распределения и химических веществ, и биологических компонентов, включая видимые. (Видимыми компонентами (ВК) называются компоненты, изменяющие комплексный показатель преломления, т = п + ш\ его действительную или мнимую части). Такая особенность наблюдается как в морских и океанских водах [12], так и объектах поверхностных вод суши [13].
Предметом изучения являются спектры восходящего от воды излучения - трансформированное в экосистемах и вышедшее из нее солнечное излучение (прямое или рассеянное аэрозольными частицами) в видимом диапазоне электромагнитных волн. Заметим, что видимый диапазон спектра отличается от других диапазонов электромагнитного спектра тем, что именно в этом диапазоне волн происходят процессы, являющиеся важнейшими для существования жизни на Земле (процессы фотосинтеза), имеется "окно прозрачности" атмосферы, в этом диапазоне спектра происходит поглощение и "утилизация" солнечной энергии фитопланктоном.
Таким образом, существует по меньшей мере два аспекта проблемы, которые нужно иметь в виду при сопоставлении концентраций ВК, определяемых традиционными аналитическими методами и дистанционными спектрометрическими методами. Первый аспект проблемы состоит в пространственной и временной несопоставимости исследуемого различными методами объекта (или его части). Второй касается различия понятий, вкладываемых в определение концентраций В К при определении последних оптическими и традиционными аналитическими методами.
ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЕ НЕСООТВЕТСТВИЕ
Прежде всего рассмотрим основные физические процессы, используемые при дистанционном определении концентраций любых В К. В общий процесс формирования восходящего от воды излучения вносят свой вклад все ВК, попавшие в поле зрения прибора дистанционного контроля. Восходящее излучение формируется в объеме, размер которого зависит от концентрации ВК и, строго говоря, является величиной переменной при каждом измерении. Для того чтобы измеряе-
мая экспериментально величина - радиационный параметр и, следовательно, найденные по нему концентрации ВК не зависели от объема воды, этот параметр определяют как безразмерную величину, равную отношению яркостей восходящего излучения, измеренных на двух волнах (индекс цвета или величины типа индекса цвета) [14-16]. Радиационный параметр возможно также определять как отношение яркости, измеренной на определенной длине волны, к "средней" по спектру яркости (нормировка на интеграл под кривой) [5, 6, 17, 18]. Но при любом из упомянутых способов нахождения радиационного параметра концентрация ВК, определяемая этим способом, является концентрацией, "эффективной" по объему С*, в котором формируется восходящее из воды излучение. Не будем останавливаться на рассмотрении понятий "эвфотной зоны" или "фотического слоя" (см., напр., [13, 19]), так как в настоящем рассмотрении детали их различия могут быть опущены и в значительной степени отождествлены с величиной 2б, глубиной видимости белого диска Секки. При использовании упомянутых выше понятий определяемая оптическими методами концентрация будет эффективной по фотическому слою.
Пробы воды на традиционный химический (биологический) анализ отбирают обычно на фиксированном горизонте (или нескольких горизонтах), не определяя реального распределения компонентов по глубине [20]. Поэтому можно сказать, что совпадение концентраций ВК, измеренных традиционными аналитическими и дистанционными методами, если и возможно, то в лучшем случае - при однородном распределении веществ (компонентов) по глубине и акватории, а в общем случае - случайно. Некорректно без дополнительных измерений, связанных с определением качественного состава ВК, сравнивать концентрации, о
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.