ОКЕАНОЛОГИЯ, 2010, том 50, № 4, с. 495-504
= ФИЗИКА МОРЯ -
УДК 551.465
О СОВМЕСТИМОСТИ НОРМАЛИЗОВАННЫХ ЯРКОСТЕЙ КАСПИЙСКОГО МОРЯ, ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫХ СКАНЕРАМИ ЦВЕТА ОКЕАНА
SEAWIFS И MODIS
© 2010 г. Г. С. Карабашев, М. А. Евдошенко, С. В. Шеберстов
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: genkar@mail.ru Поступила в редакцию 16.12.2008 г., после доработки 14.04.2009 г.
На примере Каспийского моря исследуется совместимость данных сканеров цвета океана SeaWiFS и MODIS на акваториях, подверженных влиянию внешних источников оптически значимых примесей. Показано, что невязка нормализованных яркостей по данным этих сканеров зависит от длины волны солнечного излучения, растет с переходом от открытого моря к прибрежьям и способна существенно меняться по знаку и величине на одних и тех же акваториях в условиях, благоприятных для спутникового дистанционного зондирования моря. При любых обстоятельствах невязка яркостей минимальна в желто-зеленой области спектра. Расчет характеристик среды с использованием таких яркостей обеспечивает минимальные ошибки определения долгопериодной изменчивости водной среды по совмещенным выборкам данных сканеров SeaWiFS и MODIS.
1. ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы совместимости стандартных продуктов (СП) разнотипных спутниковых сканеров цвета океана (СЦО) растет вслед за накоплением результатов их многолетней эксплуатации. Особый интерес представляют материалы СЦО SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor, далее SW) и MODIS Aqua (Moderate-Resolution Imaging Spectroradiomete, далее MO), доступные массовым пользователям на сайтах NASA. Решение проблемы позволило бы формировать выборки данных, радикально превосходящие материалы неспутниковых наблюдений по длительности, регулярности и си-ноптичности. Подобные данные востребованы многими дисциплинами, изучающими климатологию океана. Большая часть исследований совместимости СП опирается на материалы наблюдений в водах 1-го типа (Case I waters, открытый океан) с наиболее благоприятными условиями оценки характеристик океана по восходящим спектральным яркостям, зарегистрированным на орбите СЦО ([3—5] и др.). Гораздо хуже изучена совместимость СП для прибрежий, внутренних морей, переходных зон и других регионов с источниками чужеродных оптически-значимых примесей (Case II waters, или воды 2-го типа). Подобные акватории представляют наибольший промышленный интерес и нуждаются в спутниковом экологическом мониторинге из-за большой антропогенной нагрузки.
Трудность в том, что СП СЦО рассчитывают при допущениях, справедливость которых зависит от локальных особенностей оптического режима моря и атмосферы. Наименее уязвимы материалы по открытому океану, тогда как СП вод 2-го типа бывают
смещенными вследствие неуниверсальности глобальных расчетных алгоритмов. Разработка локальных алгоритмов, учитывающих местную специфику, посильна далеко не каждому пользователю. Напротив, СП СЦО представлены на сайтах NASA в форматах и среде, удобных для пользователей с различной подготовкой, что стимулирует работы по океанологии переходных акваторий с использованием СП СЦО и уточняющей информации, например, в виде данных судовых наблюдений [6].
В настоящей работе рассмотрен иной подход с упором на сравнение характеристик группирования и рассеяния оценок нормализованных яркостей и их распределений с тем, чтобы выявить возможные расхождения между продуктами сканеров как пространственными переменными. Производные СП не рассматриваются во избежание дополнительных погрешностей. Объектом исследования было выбрано Каспийское море как крупный закрытый водоем, где вероятна смещенность оценок СП и востребован спутниковый мониторинг.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Основное внимание уделялось центральному и южному секторам моря в пределах изобаты 100 м, где минимальна роль речного стока, взмучивания донных осадков и прочих внешних факторов оптики водной среды. Анализировались нормализованные яркости S на длинах волн X, равных 412, 443, 490, 510, 555, 670 нм (SW), и яркости Mна 412, 443, 488, 531, 551, 668 нм (MO). Сканеры совместно эксплуатировались в 2002—2004 гг., однако мы ограничились выборкой данных 2004 г. как максимально полной. В
°в.д.
47 48 49 50 51 52 53 54
1200 1100 1000 900 800 700 * 600 500 400 300 200 100
0
4?
с< 1 г-
С. /-8
\ г*7 )
В
■«Ч Ч / \
- \ 5. г, \ "
/ /4 •А /¿^
гАз J iS -
А
' \ У2 )
- 1
47 46 45 44 43
42 а
Ö
о
41 40
39 38 37
100 200 300 400 500 600 700
х, км
Рис. 1. Расположение южного (А) и центрального (В) полигонов относительно изобаты 100 м (пунктир) в Каспийском море. х и у (км) — декартовы координаты относительно точки 36°30' с.ш., 46°36' в.д. Стрелки обозначают широтные трассы 1—8, проложенные через 80 км от 102 до 742 км относительно у = 0.
нее вошли более 60 пар ЬАС-изображений Каспийского моря, полученных СЦО 8еа^Р8 и МОБК в течение одних и тех же суток и доступных по адресу http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/ в виде Иё^файлов с координатами и яркостями пикселей размером 1.1 х х 1.1 км при визировании в надир. Выборка охватывает период с апреля по сентябрь, данные за октябрь—март не использовались из-за малочисленности и нерегулярности.
Осреднение яркостей по квадратам 20 х 20 км (к20) применялось для описания структур в масштабах бассейна, а по квадратам 4 х 4 км (к4) — для анализа мезомасштабных неоднородностей. Географические координаты пикселей на снимках выборки 2004 г. пересчитывались в линейную меру относительно точки 36°30' с.ш., 46°36' в.д. Относительно той же точки были заданы центры квадратов к20 и к4 с шагом 20 и 4 км соответственно. Оценки средних яркостей в отдельном квадрате снимка находили после отбраковки выбросов, т.е. пикселей с яркостями выше утроенного среднеквадратического отклонения. Результат отбраковки принимался, если пиксели распределялись в квадрате в согласии с критери-
ем равномерности. Временное осреднение данных в квадратах выполнялось по периодам от месяца до полугодия апрель—сентябрь.
Относительная частота В доброкачественных данных в квадратах к20 (доля снимков с приемлемым качеством пикселей среди всех снимков за год) приближалась к 100% в центре моря в пределах изобаты 100 м между 40° и 43° с.ш. преимущественно восточнее 51° в.д., однако столь высокие В встречались здесь в 2—3 раза чаще по МОБ^'у, нежели по 8еа^Р8'у. В северной части Каспия с глубинами меньше 10 м, как и на юго-восточном мелководье, оба сканера показали В < 50%. В бассейне центрального и южного Каспия в пределах 100-метровой изобаты между 38° и 43° с.ш. SW и МО давали В > 65%— 70%, что делает его оптимальной акваторией для решения нашей задачи. Мерой невязки показаний МО и SW была выбрана разность с1(Х) = М(Х) — ^(Х). Сравнивались также характеристики описательной статистики, рассчитанные раздельно по одинаково сформированным выборкам данных SW и МО.
Для этого анализировались данные двух полигонов 70 х 70 км в южном и центральном секторах Каспия (А и В на рис. 1). Они достаточно малы, чтобы свести к минимуму появление прибрежных вод на акватории, считающейся типичной для открытого Каспийского моря. Для оценки корреляции распределений спектральных яркостей по полигону их значения интерполировались на сетку с шагом 1 км методом "ближайшего соседа". Он близок к реальному разрешению сканеров (1.5—2 км), и потому интерполированные распределения яркостей визуально не отличались от исходных. Зональная изменчивость СП сканеров сравнивалась на широтных разрезах между ординатами 102—742 км с шагом 80 км (рис. 1) по оценкам средних значений и среднеквадратиче-ских отклонений разностей сС(Х) в квадратах к4.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
Графики на рис. 2 показывают соотношение статистических характеристик спектральных нормализованных яркостей L(X), зарегистрированных сканерами MO и SW на полигонах A и B и представленных в виде сводных выборок за апрель—сентябрь 2004 г. Средние яркости AV в парах сканеров MO— SW и полигонов A—B были почти одинаковы по всему видимому спектру, несколько различаясь в его коротковолновой области. Там же оценки стандартного отклонения STD яркостей южного полигона существенно превышали аналогичные оценки центрального полигона по показаниям обоих сканеров, но эти различия исчезли в длинноволновой области. Различия оценок коэффициентов асимметрии SK между полигонами оказались больше различий тех же оценок по SeaWiFSy и MODISy на каждом из полигонов по всей видимой области спектра. Оценки размаха выборок яркости и их коэффициентов экс-
0
400
SK
0.8
0.6 0.4 0.2 0 0.2
STD
0.3 г
500 600 Длина волны, нм
0
700 400 KU
500 600 Длина волны, нм
4 г
RNG
0.4 г
0
700 400
400 500 600
Длина волны, нм
—1 2
700 400
500 600 Длина волны, нм
700
500 600 Длина волны, нм
700
-MO-A
---MO-B
—•— SW-A - ■• - SW-B
Рис. 2. Спектры оценок статистических характеристик нормализованных яркостей, рассчитанных по выборкам данных сканеров MODIS (MO) и SeaWiFS (SW) за период с апреля по сентябрь 2004 г. на полигонах A и B. AV — средние, STD — стандартные отклонения, RNG — размахи выборок, SK — коэффициенты асимметрии, KU — коэффициенты эксцесса.
3
цесса не обнаружили явных особенностей в парах сканеров и полигонов А—В.
Оценки коэффициентов корреляции Я спектрально-одинаковых яркостей, рассчитанные по парным снимкам полигонов А и В, приведены на рис. 3 в виде спектров Я(к). За исключением снимков 155 (А) и 214 (В), эти оценки соответствуют сильной связи между показаниями сканеров в средней части центрального и южного секторов Каспия на длинах волн 551 нм (МО) и 555 нм (8^). Сила связи между показаниями сканеров по краям видимого спектра варьировала от сильной положительной до средней отрицательной при наибольшем разбросе оценок Я(к) в сине-фиолетовой области. Заслуживает внимания минимум Я(к) на 510 нм в спектрах 155, 160 и 228 на полигоне В.
Спектры 155 (А) и 214 (В) выглядят как аномалия на фоне остальных Я(к) на рис. 3. Карты на рис. 4 говорят о том, что корреляция оказалась пониженной благодаря несовпадению яркостной структуры изображений полигонов по МООК'у и 8еаШР8'у, а не из
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.