= ФИЗИКА МОРЯ
УДК 551.465
О СТРУКТУРНОМ ПОДХОДЕ К ИЗУЧЕНИЮ ИЗМЕНЧИВОСТИ МОРСКОЙ СРЕДЫ ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВЫХ СКАНЕРОВ
ЦВЕТА ОКЕАНА
© 2011 г. Г. С. Карабашев, М. А. Евдошенко
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: genkar@mail.ru Поступила в редакцию 14.10.2009 г., после доработки 30.05.2011 г.
Предлагается трактовать структуру изображений морской поверхности, получаемых спутниковыми сканерами цвета океана (СЦО), как комплексный интегральный показатель состояния морской среды. Такой подход позволил бы ввести в научный оборот информацию о водной среде, скрытую в спектрально-яркостных узорах произвольной формы. Они характерны для изображений внутренних морей, проливов и прочих переходных зон, но не поддаются распознаванию и потому игнорируются при анализе изображений. Приведены предварительные оценки повторяемости мезомас-штабных структур, найденные с помощью объективного критерия в океанологически различных регионах Каспийского моря по данным СЦО SeaWiFS и MODIS за 1998—2007 гг. Показана полезность подхода при изучении долгопериодной изменчивости морских акваторий по архивам спутниковой информации.
ВВЕДЕНИЕ
Изображения морских акваторий получают с помощью спутниковых сканеров цвета океана (СЦО) с 70-х гг. прошлого века ради оценки экологически важных примесей морской воды (например, [6]) и для изучения динамики моря благодаря визуализации (трассировке) движений вод теми же примесями (например, [4]). Упрощая, можно говорить, соответственно, об аналитическом и трасерном подходах к использованию данных СЦО. Первый из них обеспечивает приемлемое качество анализа там, где соблюдаются допущения, встроенные в расчетные алгоритмы для оценки концентраций примесей по яркости моря. Трасерный подход эксплуатирует смещения, очертания и протяженность вихрей, вихревых диполей, меандров и других визуально распознаваемых элементов водообмена. Однако узоры, свойственные снимкам внутренних морей, проливам, шельфу и прочим переходным акваториям, бывают поразительно разнообразны по структуре, далеки от хаотичности и демонстрируют сильную горизонтальную неоднородность водной среды, несводимую к подобным элементам.
С накоплением данных СЦО в общедоступных архивах становится возможным иной подход. Суть его — в использовании изменчивости структуры изображений акватории для суждения о долговременной эволюции ее толщи, визируемой СЦО. В отличие от аналитического, в этом подходе допустимо рассматривать только распределения нормализованных яркостей моря и/или коэффициентов яркости моря как стандартных про-
дуктов СЦО, которые в наименьшей степени зависят от строгости вычислительных процедур и меняются вслед за вариациями оптически значимых примесей в воде. В отличие от трасерного, предлагаемый подход применим к любым изображениям, включая таковые без распознаваемых образов. Он помог бы ввести в научный оборот пока что невостребованную информацию, скрытую в произвольных спектрально-яркостных узорах спутниковых изображений.
Такие узоры можно рассматривать как структуры, отражающие совместное действие множества разнородных факторов формирования яркости моря (состав, содержание и стратификация оптически значимых примесей, течения и мезо-масштабная динамика вод, их прозрачность, рельеф и глубина дна, горизонт залегания пикно-клина, континентальный сток, близость берега, ветровой режим, локальные проявления жизнедеятельности, техногенная нагрузка и т.д.). Естественно полагать, что подобие структур изображений акватории, полученных разновременно, обусловлено воспроизводимостью условий формирования поля восходящей яркости солнечного излучения в ее приповерхностном слое.
Цель настоящей работы — в том, чтобы получить первые представления о воспроизводимости конфигураций мезомасштабных (101—102 км) спектрально-яркостных контрастов заданной акватории на спутниковых снимках, полученных с интервалом длительностью более 2—3 недель. В этот интервал обычно укладываются многие ме-зомасштабные события (например, "цветение"
фитопланктона в прибрежье при сгонном ветре). Эволюция таких событий визуально прослеживается по серийным спутниковым изображениям благодаря подобию их структур в смежные моменты времени. Гораздо менее тривиален вопрос о воспроизводимости структур на периодах от многих недель до многих лет. Она вероятна там и тогда, где и когда доминируют квазипостоянные факторы (например, соленостный фронт в предустьевой зоне или перепад глубин между мелководьем и подводным склоном). Даже редкая повторяемость структур может быть познавательно значимой там, где факторы изменчивости яркости считаются разнообразными и равновероятными.
ПРЕДПОСЫЛКИ
Для достижения цели существенны по крайней мере две предпосылки: доступность достаточно большого массива одинаково достоверных изображений акватории, полученных в течение нескольких лет в различные сезоны года, и наличие объективного критерия сходства структуры ее изображений.
Первая из них вполне реальна благодаря материалам СЦО SeaWiFS и MODIS, доступным на порталах NASA. Каспийское море достойно служить полигоном для пробной проверки предлагаемого подхода, будучи неплохо изученной акваторией с разнообразными условиями формирования восходящей яркости [5, 7 и др.]. Северный Каспий принимает сток Волги и сравнительно неглубок, и потому здесь велико влияние квазипостоянных факторов (поступление примесей речного происхождения, отражение солнечного излучения от дна и др.). Глубоководная часть Среднего Каспия в наименьшей степени подвержена их воздействию. Те же факторы значимы в Южном Каспии благодаря впадению рек средней полноводности и обширному мелководью на востоке. В каспийском регионе достаточно высока повторяемость малооблачных дней с весны по осень, что способствует формированию массива изображений моря приемлемого качества объемом как минимум несколько десятков в год, так что суммарный объем массива за время эксплуатации этих СЦО с 1998 г. по настоящее время оказывается близок к тысяче изображений.
Гораздо сложнее реализовать вторую предпосылку. Здесь явно недостаточны средства описательной статистики, так как они не отражают поведение яркости как пространственной переменной (нетрудно представить два визуально разных узора с неразличимыми оценками средних яркостей и их дисперсий). Эта способность присуща таким характеристикам двумерных распределений, как структурная функция (вариограмма), корреляционная функция и т.п. Однако использование функции в качестве критерия отбора су-
щественно усложняет реализацию подхода по сравнению с применением численного критерия и, видимо, является избыточным, если ограничиться поиском слабо смещенных структур в одном и том же интервале пространственных масштабов. Такие структуры снимков акваторий визуально воспринимаются как подобные, если экстремумы яркости (т.е. ее минимумы и максимумы) сходны по расположению, очертаниям, протяженности, ориентации и знаку. Реализацию подхода облегчает и тот факт, что речь идет о сходстве изображений заданной акватории, т.е. сравнению подлежат распределения атрибутов элементов изображения (пикселей) на одной и той же координатной сетке. Отказ от распознавания образов также существенно упрощает выбор критерия (к примеру, он должен выделить два изображения с кольцевыми структурами как подобные лишь если они близки по диаметру и местоположению их центров).
Мы полагаем, что при этих ограничениях подобие пары изображений заданной акватории может быть выявлено по оценке коэффициента корреляции Пирсона Я выборок яркостей такой пары, когда эти выборки различаются только значениями яркостей, но не координатами точек их привязки. Оценки Я, меняясь от +1 до —1, характеризуют степень тесноты связи между случайными коррелируемыми величинами, если они совместно нормальны. Тогда Я = +1.0 и Я = —1.0 означают прямую и обратную линейные связи величин, а Я = 0 указывает на отсутствие связи между ними [1]. Однако вопрос о характере связи между самими яркостями избыточен в рамках задачи о численном индикаторе коррелированно-сти (подобия) пары двумерных распределений яркости, что позволяет отказаться от проверки выборок яркостей на нормальность. В любом случае Я = +1.0 указывает на тождественность изображений, Я = —1.0 характеризует их антагонистичность (экстремумы яркости одинаковы по всем свойствам кроме знака, и потому изображения соотносятся как позитив с негативом), тогда как |Я| < 1 указывает на промежуточную степень сходства пары изображений между тождественностью и антагонистичностью из-за неполного подобия экстремумов распределений яркости и/или "зашумленности" одного или обоих изображений.
Нетрудно убедиться в справедливости сказанного на примере узора пары шахматных досок. Представим одну из них в виде последовательности нулей (белые клетки) и единиц (черные клетки) как позитив Р(0 1 0 1...), другую — как негатив со сдвигом клеток на одну позицию N(1 0 1 0.). Тогда Я(Р,Р) = +1, Я^^) = +1, Я(ВД = -1, а при добавлении равномерного шума к последовательностям Р и/или N оценки тех же коэффициентов стремятся к нулю с ростом амплитуды шу-
ма. Поведение этих оценок хорошо соответствует визуальному восприятию изображений досок на экране монитора в градациях серого от 0 (белый) до 100% (черный), где тождественность и антагонистичность сравниваемых узоров убывают с ростом шума и приближением R к нулю.
Этот пример подтверждает возможность использования оценки коэффициента корреляции как критерия подобия пары изображений в вышеуказанном смысле, даже если распределения градаций яркости далеки от нормального. Оценка R по эмпирическим данным легко осуществима даже скромными вычислительными средствами. Вместе с тем нам неизвестны применения этих оценок для выявления сходства спутниковых изображений морских акваторий, и потому мы рассматриваем проверку такой возможности как дополнительную цель настоящей работы.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Использовались цифровые снимки Каспийского моря с минимальным размером пикселя 1.1 х 1.1 км, сделанные СЦО SeaWiFS в 1998— 2004 гг. и СЦО MODIS-Aqua в 2003-2007 гг. и представленные на сайте NASA как дан
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.