научная статья по теме ОБ ИНФОРМАТИВНОСТИ СЪЕМКИ МОРСКИХ ПРИБРЕЖИЙ СПУТНИКОВЫМИ СКАНЕРАМИ ЦВЕТА ОКЕАНА Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОБ ИНФОРМАТИВНОСТИ СЪЕМКИ МОРСКИХ ПРИБРЕЖИЙ СПУТНИКОВЫМИ СКАНЕРАМИ ЦВЕТА ОКЕАНА»

ОКЕАНОЛОГИЯ, 2013, том 53, № 6, с. 750-757

ФИЗИКА МОРЯ

УДК 551.465

ОБ ИНФОРМАТИВНОСТИ СЪЕМКИ МОРСКИХ ПРИБРЕЖИЙ СПУТНИКОВЫМИ СКАНЕРАМИ ЦВЕТА ОКЕАНА

© 2013 г. Г. С. Карабашев, М. А. Евдошенко

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: genkar@mail.ru Поступила в редакцию 16.05.2012 г., после доработки 18.12.2012 г.

Архивные материалы сканеров цвета океана (СЦО) SeaWiFS и MODIS использованы для проверки влияния ряда аппаратурно-методических факторов на оценки коэффициентов яркости моря как пространственных переменных в условиях океанологически сложной акватории, малой по сравнению с шириной полосы обзора СЦО. Учет этих факторов особенно необходим при изучении долговременной изменчивости прибрежных акваторий во избежание искажения трендов и распределений из-за смещенности результатов наблюдений.

DOI: 10.7868/S0030157413050055

ВВЕДЕНИЕ

Съемка морей и водоемов суши посредством спутниковых сканеров цвета океана (СЦО) практикуется более 30 лет, начиная с Coastal Zone Color Scanner (CZCS, 1978—1984) и кончая ныне действующими сенсорами MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) и MERIS (MEdium Resolution Imaging Spectrometer). Оборачиваясь на околоземной орбите, они регистрируют яркость солнечного излучения, обратно рассеянного водоемами и атмосферой в нескольких участках видимого спектра. Системы обработки данных СЦО вычитают вклад атмосферы в указанную яркость (атмосферная коррекция), учитывают возможные помехи, осуществляют привязку элементов изображения (пикселей) к широте и долготе и "нормализуют" зарегистрированную яркость, т.е. приводят к условиям визирования Земли в надир в отсутствие атмосферы. Атмосферная коррекция и другие меры учитывают специфику изучения океана из космоса и обеспечивают океанологическую информативность изображений СЦО, недоступную спутниковым оптическим средствам наблюдения общего назначения.

Нормализованная яркость Lnw (или коэффициенты яркости Rrs) определяется содержанием светопоглощающих и светорассеивающих веществ в водной среде, что позволяет визуализировать процессы и события в водоемах и рассчитывать концентрации хлорофилла, взвешенных частиц и другие характеристики водной среды. Такие расчеты выполняются операторами соответствующих СЦО. Результаты с разрешением на местности до 1 км свободно доступны через Интернет в виде продуктов, т.е. цифровых массивов основных и вспомогательных данных различного уровня готовности для дальнейшей обработки и

анализа. Благодаря достоинствам мгновенных изображений гигантских акваторий радикально расширились представления о природе верхнего слоя океана и возможности морских экспедиций на исследовательских судах.

Вместе с тем каждому этапу формирования продуктов СЦО все еще свойственны трудности. Они минимальны в открытом океане и максимальны во внутренних морях, проливах, прибрежьях, на шельфе и прочих переходных акваториях, т.е. там, где водная среда предельно изменчива, а данные СЦО наиболее востребованы. Получение продуктов уровня Ь2 (географически привязанные оценки Л») путем обработки Ы-продуктов с использованием специального программного обеспечения позволяет реализовать предпочтения пользователя. Однако такой подход трудоемок, и потому массовый пользователь предпочитает продукты уровней Ь2 и Ь3 (Ь3 — продукты, осреднен-ные по заданным пространственно-временным интервалам). Особенно привлекательны продукты уровня Ь2, которые частично наследуют возможности учета предпочтений пользователя и не слишком требовательны к вычислительным мощностям. В частности, пиксели изображений уровня Ь2 сопровождаются набором численных флагов, указывающих на возможные помехи различной природы. Исходя из экспертных оценок и пользуясь флагами, пользователь находит приемлемый компромисс между объемом и достоверностью исходных данных.

Недавно открывшиеся возможности изучения долговременной изменчивости среды по архивам многолетних данных обнажили противоречие между необходимостью автоматизации такого анализа и несовершенствами сбора и обработки данных. Экспертные оценки допустимы при

"штучном" анализе изображений, но не при анализе массовых материалов. Природа несовершенств и соответствующие контрмеры подробно описаны в журнальных статьях и послестартовых отчетах NASA, включая ситуации на переходных акваториях ([5, 6], http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/ и др.), что, однако, не избавляет от необходимости проверки влияния известных трудностей на материалах реальных многолетних наблюдений. Такая проверка и является целью настоящей заметки. Она состояла главным образом в том, чтобы выявить влияние некоторых особенностей сбора исходных данных СЦО на информативность среднемноголетних оценок Rrs как пространственной переменной.

Мы обратились только к первичным продуктам СЦО, которые заведомо отягощены наименьшими погрешностями по сравнению с производными продуктами, и ограничились характеристиками информативности данных, доступных без привлечения подспутниковых наблюдений. Универсально важна, например, обеспеченность данных. Судя по опыту анализа данных СЦО, такие характеристики меняются с приближением к берегу и с удалением от оси полосы обзора сканера. Наконец, представлялось целесообразным затронуть вопрос о краткосрочной воспроизводимости наблюдений посредством СЦО. В отличие от лабораторной практики, он не решается путем повторных измерений, так как даже суточный интервал между наблюдениями заданной акватории достаточен для радикального изменения ее состояния, если речь идет о прибрежье.

Напомним принцип действия СЦО (рис. 1а). Узконаправленная приемная система СЦО воспринимает солнечное излучение, восходящее от последовательности пикселей на водной поверхности вдоль линии сканирования, перпендикулярной плоскости орбиты. Характеристики системы и режим полета согласованы так, что пиксели образуют непрерывную цепочку в направлении сканирования и каждая последующая линия сканирования примыкает к предыдущей, что обеспечивает сплошность покрытия полосы обзора пикселями и формирование растрового изображения земной поверхности гигантской протяженности. Подход небезупречен: реальное пространственное разрешение (размеры пикселей) ухудшается с ростом угла сканирования а. Насколько это существенно, показывают зависимости на рис. 1б. Они построены по формулам для оценки длины сторон N-го пикселя на линии сканирования СЦО SeaWiFS при угле наклона сенсора 20°, высоте орбиты h = 705 км, длине стороны пикселя в надир d0 = 1.2 км, 0 < N< 1284, n = Nmax/2: а = d0(N-n)/h — угол сканирования; ф = sin(1.125 sin(a)) — зенитный угол; dr = 8 d0 sin^ — a)/sin(a); dsc = dr/cos^) — длина стороны пикселя вдоль линии сканирования. Размеры N-го пикселя для MODISH меняются подобным образом и рассчитываются по аналогичным

формулам (источник: http://oceancolor.gsfc.nasa. gov/forum/oceancolor/topic_show.pl?tid=2018).

Согласно графикам на рис. 1б, dsc в разы превышает d ,гв шестистах километрах от оси полосы обзора, а их равенство приблизительно соблюдается на удалении не более 150 км от той же оси. Сужение полосы обзора до приосевой области ради минимизации и однородности пикселей по размерам удлиняет период между повторными наблюдениями заданной акватории, что ограничивает возможности изучения мезомасштабных событий по данным СЦО.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В Черном море был выбран район Анапской пересыпи как акватория высокой рекреационной привлекательности в регионе интенсивного природопользования с разнообразными факторами пространственно-временной изменчивости водной среды (рис. 2). Здесь вероятны вторжения малопрозрачных вод Азовского моря из Керченского пролива и поступление прозрачных вод центральной части моря. Пространство с глубинами менее 20 м на подступах к проливу благоприятно для проявлений ветрового взмучивания донных отложений в распределениях Rrs. Проявления ме-зомасштабной динамики и крупномасштабного циклонического переноса также характерны для этого полигона [4].

Данные для него были извлечены из цифровых изображений Черного моря, полученных СЦО SeaWiFS в 1998—2004 гг. и СЦО MODIS-Aqua в 2003—2004 гг. с апреля по сентябрь. Изображения черноморского региона были загружены с сайта NASA как данные уровня L2. Файлы изображений полигона были извлечены из файлов региона и избавлены от пикселей с признаками влияния солнечного блика. Первичная обработка снимков состояла в: (1) пересчете географических координат пикселей в линейные относительно 44.75° с.ш., 36.5° в.д.; (2) исключении каналов СЦО на 412 нм из-за вероятных ошибок атмосферной коррекции и каналов на длинах волн 510 нм (SeaWiFS) и 531 нм (MODIS-A) из-за спектральных различий, чрезмерных в условиях Черного моря; (3) представлении соответствующих изображений в виде табличных файлов, каждая строка которых хранит атрибуты пикселя, т.е. его декартовы координаты и нормализованные яркости Rrs(k) на длинах волн X = 443, 490, 555 и 670 нм (SeaWiFS) или X = 443, 488, 551 и 668 нм (MODIS-Aqua).

Изображения полигона были разбиты на три группы по градациям длины пикселя dsc вдоль линии сканирования: 1.1 < dsc < 1.5 км (G1), 1.5 < dsc < < 2.5 км (G2) и dsc > 2.5 км (G3) (рис. 1). Величину dsc, зависящую от угла сканирования и свойственную изображению полигона, находили как рассто-

КАРАБАШЕВ, ЕВДОШЕНКО 8

км 10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

80

60

40

20

1200 900 600

X, км

Рис. 1. (а) — Упрощенная схема сканирования водной поверхности (без соблюдения пропорций, учета сферичности водной поверхности и т.д.). 8 — сканер на орбите, перпендикулярной плоскости эскиза; к — высота орбиты; Р — элемент изображения (пиксель) при визирования водной поверхности в надир; а — отклонение линии визирования от вертикали в плоскости сканирования, перпендикулярной орбите (угол сканирования); Ра — пиксель при визировании поверхности под углом а; ¿Гг, км, — длина стороны пикселя в направлении полета сканера, ¿зс, км — длина стороны пикселя вдоль линии сканирования. (б) — Изменение размеров пикселей d с удалением от оси полосы обзора: X, км — расстояние центров пикселей от оси полосы в номинальном диапазоне углов сканирования

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»